¿Por qué no aterrizar Starship de SpaceX como un avión?

Entiendo el razonamiento detrás del diseño de Starship para aterrizar en posición vertical. No requiere tren de aterrizaje y se espera que el cambio sea mucho más rápido. Pero estoy empezando a cuestionar esa lógica.

Creo que el costo/beneficio de un aterrizaje vertical es aceptable para vehículos no tripulados como el propulsor. La mayoría de las veces aterrizará bien, y si se forma un cráter de vez en cuando, está bien. Pero para un vehículo tripulado, es demasiado arriesgado. Si esos motores no se encienden a tiempo, usted y sus más de 100 pasajeros estarán muertos.

¿El tiempo de respuesta es mucho mejor? La principal diferencia es que es horizontal, ¿verdad? Seguramente SpaceX puede encontrar una manera rápida y fácil de poner Starship en posición vertical y en posición para el próximo lanzamiento.

¿Es realmente ahorrar algo de peso? ¿Cuánto más o menos pesa el tren de aterrizaje en comparación con los tanques de cabecera? ¿Podría quitar uno o dos motores si no necesita ninguno para aterrizar? ¿Cuánto podría ahorrar en peso de combustible?

¿Estás sugiriendo agregarle alas?
Sospecho que la masa de alas y un tren de aterrizaje es simplemente inmanejable. Supongo que los aterrizajes tripulados llevarán una reserva de combustible significativamente mayor que los no tripulados.
Entonces, básicamente, ¿un transbordador espacial?
Sí, básicamente un transbordador espacial, encima de un propulsor.
Creo que acabas de responder tu propia pregunta.
Su pregunta se basa en la premisa falsa de que aterrizar horizontalmente sería significativamente más seguro. El ejemplo del transbordador espacial muestra que este no es el caso. Sin suficiente potencia del motor y combustible para realizar un motor y al aire y potentes superficies de control para corregir situaciones fuera de lo nominal (cizalladura del viento, empuje asimétrico debido a fallas del motor, problemas de administración de energía), solo tiene una oportunidad para aterrizar y si todo sale un poco mal, cráter otra vez.
Por lo que sé, Starship (a diferencia de Falcon 9) puede acelerar los motores lo suficiente como para flotar. Entonces, para mayor seguridad en los aterrizajes tripulados, uno podría encender varios motores para aterrizar y/o comenzar a encenderlos lo suficientemente temprano como para encender otro motor si el primero no se enciende.
¿Porque Musk estuvo fuertemente influenciado por las portadas de los libros de ciencia ficción de los años 50 y 60?
@TooTea ¿Cómo demuestra el transbordador espacial, con su historial de seguridad de aterrizaje perfecto, que el aterrizaje horizontal no es más seguro que el vertical?
@RussellBorogove La tripulación del Columbia podría no estar de acuerdo con la afirmación de un registro de seguridad de aterrizaje perfecto.
@nohillside No intentaron aterrizar.
Nunca dije que fuera perfecto, dije que creo que hay mucho menos riesgo involucrado. Hubo otros problemas de diseño no relacionados que llevaron al desastre de Columbia. No creo que nadie pueda decir honestamente que planear hacia una pista de aterrizaje y confiar en un conjunto de patas de aterrizaje para trabajar sea más arriesgado o remotamente a la par que depender de múltiples motores de cohetes para encenderse en el momento preciso y al mismo tiempo también confiar en un cuadro de sensores de navegación y hardware de control de actitud para mantener todo en posición vertical. ¡Por favor!
Soy ingeniero, pero ciertamente no tengo experiencia relacionada con naves espaciales, incluido el aterrizaje. Aún así, tengo que decir que estoy increíblemente sorprendido de enterarme de estos repetidos fracasos. Hubiera esperado que el aterrizaje vertical de la nave espacial fuera mucho menos desafiante de lo que aparentemente es. Y encuentro que la discusión relacionada con el aterrizaje no vertical está completamente fuera de lugar por las razones que algunos han sugerido anteriormente (incluida la probabilidad de ubicar un terreno adecuadamente plano en destinos no terrestres). Todavía no entiendo completamente por qué las medidas, incluido el cambio de lastre dentro del barco para garantizar
la cola de aterrizaje es relativamente pesada en comparación con la punta de aterrizaje, no se discuten. Esperaría que la atmósfera menos densa se beneficiara de este enfoque. Puede ser que estos ya estén considerados, pero agradecería que alguien ilumine a los ingenieros curiosos como yo.
@BlainePeterson esa es una perspectiva interesante, y si estuviera interesado en expresarlo como una nueva publicación de preguntas, podría explorarse más a fondo. Stack Exchange es bastante rígido con respecto a los propósitos de las publicaciones y comentarios de preguntas y respuestas, por lo que el título era "¿Desafíos técnicos para los cohetes tipo Starship que usan el cambio de lastre para garantizar que la cola de aterrizaje sea relativamente pesada en comparación con la punta al aterrizar?" Utilizamos los "desafíos técnicos a X?" formato en lugar de "¿Por qué no X?" o "¿Podría funcionar X?" porque es más probable que tenga respuestas basadas en hechos que en opiniones.
Alas añadir ≈ 10% en peso, son inutilizables en la Luna y casi inutilizables en Marte. Más efectivo al aerofrenado sin alas y luego al aterrizaje vertical propulsor. Los aviones aterrizan horizontalmente porque los motores están débiles.
Me pregunto cómo imaginas aterrizar por primera vez en Marte, antes de que se construya cualquier infraestructura como pistas de aterrizaje.

Respuestas (8)

Básicamente estás describiendo el transbordador espacial .

El transbordador espacial ni siquiera era una buena solución cuando se diseñó. Tenía precisamente un objetivo: parecerse a un avión para la imagen de la Fuerza Aérea. En lo que respecta a la ingeniería, el Big Dumb Booster ya estaba bien probado y es lo que han utilizado todas las demás soluciones para el espacio. Pero para obtener fondos de la Fuerza Aérea, tenía que parecerse a un avión. La justificación en ese momento era la reutilización, pero incluso en ese momento, el nivel de reutilización y el costo de renovación lo hacían cuestionable, y nunca fue un problema que realmente pudiera resolverse porque el diseño simplemente no lo hizo posible.

Su primer problema es el reingreso. Las alas son realmente malas para eso, porque tienen exactamente el tipo de forma que no quieres, especialmente alrededor de la raíz del ala. El borde de ataque del ala también es un punto muy vulnerable. Los escudos térmicos en forma de ala básicamente no son algo bueno, y Columbia demostró lo que sucede cuando tienes mala suerte. ¿Cuántos Columbias puede tolerar su programa de nave espacial alada?

Tu segundo problema es aterrizarlo. El transbordador espacial era en realidad un planeador, y como todo piloto de planeadores puede decirte, aterrizar es estresante. Si el piloto de un avión propulsado se equivoca en la aproximación, puede empujar los motores hacia arriba y dar la vuelta nuevamente. Si un piloto de planeador se aproxima mal, algo se romperá, y ese algo a menudo son los ocupantes. No hay segundas oportunidades. Entonces, en lugar de un sistema de motores altamente automatizado y sistemas de control sofisticados, lo reemplazó con un piloto que puede y lo hará, sin respaldo ni forma de recuperar la situación. Dulce.

Ah, dirás, pero los planeadores no chocan tan a menudo. En primer lugar, es probable que no se entere en las noticias a menos que alguien muera. Y en segundo lugar, los planeadores tienen una relación de planeo de alrededor de 30:1, son ridículamente maniobrables y aterrizan a unas 40 mph (rápido pero no demasiado) o más lento si pueden aterrizar con viento en contra. El transbordador tenía una relación de planeo de 4,5:1, era notoriamente difícil de controlar (porque un ala que forma incluso un escudo térmico parcialmente aceptable no es un buen ala para volar) y aterrizó a más de 200 mph. Como referencia, una tasa de planeo de 4,5:1 es sustancialmente peor que la de cualquier ala delta; de hecho, es casi la misma tasa de planeo que un paracaídas de paracaidismo, y esa velocidad de aterrizaje es más rápida que la de un F-16. Este no es un lugar feliz para estar, y es un testimonio de las increíbles habilidades de los pilotos (¡y una saludable dosis de suerte!

En tercer lugar, necesitas un lugar para aterrizar la maldita cosa. La gran ventaja de aterrizar verticalmente es que solo necesitas un terreno plano del tamaño de tus plataformas de aterrizaje. El transbordador necesitaba una pista de 3 millas para aterrizar. Son 3 millas de terreno perfectamente plano, con el transbordador rodando inicialmente a 200 mph cuando aterriza. Buena suerte con eso en Marte.

Y en cuarto lugar, necesitas una atmósfera. La Tierra tiene una atmósfera lo suficientemente espesa como para que las alas funcionen bastante bien. La atmósfera de Marte es mucho más delgada, y los diseños de aeronaves en Marte (¡hay un helicóptero que aterrizará la próxima semana !) Deben prestar mucha atención a esto. Las relaciones de planeo y las velocidades serían correspondientemente peores, como si no fueran ya lo suficientemente malas para el transbordador en la Tierra. Y la Luna, por supuesto, no tiene atmósfera en absoluto.

Si realmente quieres un ala, entonces puedes volver a Rogalloen su lugar. El reingreso utiliza un escudo térmico normal, el frenado atmosférico con paracaídas de caída reduce la velocidad y luego se despliega un ala flexible. Sin embargo, desde la invención del parafoil ram-air, probablemente sea más práctico usarlo. Puede que no parezca tan genial, pero aún puede volarlo normalmente: es perfectamente práctico, bastante robusto y fácil de controlar. Incluso aterriza lentamente. Sin embargo, en el lado negativo, tiene algo adicional que implementar, y cualquier paracaidista puede decirle que las implementaciones de paracaídas fallan, incluso antes de agregar las formas adicionales en que algo puede fallar cuando necesita implementarlo mecánicamente desde una nave espacial. SpaceX consideró esto, pero su evaluación fue que disparar los cohetes (que después de todo se sabe que funcionan,

TLDR: ¡No es por el peso del tren de aterrizaje en absoluto!

Esto es fácticamente incorrecto "Tenía precisamente un objetivo: parecerse a un avión para la imagen de la Fuerza Aérea". -1 También es fácticamente incorrecto que el X-37 "no está diseñado para aterrizar usando las alas". WTF? Te desvías hacia una tierra loca en ese párrafo.
X-37 parece aterrizar usando las alas en youtube.com/watch?v=IoailiPGTZQ
El X-37 tiene ruedas en su tren de aterrizaje retráctil y ha sido fotografiado varias veces estacionado en las pistas después de las misiones. Creo que, de hecho, aterriza como un avión.
"Todo el programa sigue siendo muy secreto": si bien eso es cierto, y hay muchos misterios en torno al programa X-37, hay una cosa que no es: invisible. Literalmente, puedes verlo aterrizar como un planeador con tus propios ojos, al menos si vives en la costa este de Florida o en California, dependiendo de si aterriza en las instalaciones de aterrizaje del transbordador del Centro Espacial Kennedy o en la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg.
Mi error: estoy muy por detrás de la curva en el X-37, y ese último párrafo es completamente incorrecto. Borraré eso.
Los planeadores no aterrizan a 60-70 mph, son kmh. Gran diferencia. La mayoría de los parapentes tienen su rendimiento óptimo a unos 100 kmh y una velocidad de pérdida muy por debajo de los 70 kmh.
@vsz Confieso que soy piloto de ala delta, no de planeadores, así que lo busqué. Según Google, la velocidad de pérdida suele ser de 57 nudos. Parecía alto para mí, pero siempre parecían estar llegando rápido a mí. :) Sin embargo, más búsquedas dicen que el algoritmo de Google ha fallado con eso. Gracias por la corrección, actualizaré la respuesta.
"Las relaciones de planeo y las velocidades serían correspondientemente peores" - Velocidad de planeo sí, relación de planeo no. La relación de planeo es igual a la relación sustentación/resistencia, y tanto la sustentación como la resistencia son proporcionales a la densidad atmosférica en la misma proporción, por lo que la relación de planeo en realidad no es sensible a la densidad atmosférica.
El propósito de las alas del Transbordador no era parecerse a un avión, era darle al Transbordador suficiente capacidad de rango cruzado para despegar de Vandenberg a una órbita polar, hacer algo nefasto y aterrizar de regreso en Vandenberg después de haber completado una sola órbita.
"Entonces, en lugar de un sistema de motores altamente automatizado y sistemas de control sofisticados, lo reemplazó con un piloto que puede y lo hará, sin respaldo ni forma de recuperar la situación. Genial". – Buran demostró un aterrizaje totalmente autónomo en 1988, y tanto el X-37 como el Dream Chaser han demostrado múltiples aterrizajes totalmente autónomos cada uno, el X-37 incluso en misiones operativas, no solo en pruebas y demostraciones.
La razón por la que el ala "no es un buen ala para volar" no tiene mucho que ver con que tenga un escudo térmico. Es principalmente porque el ala necesita trabajar (léase: sobrevivir) en un vuelo super/hipersónico. Incluso el Concorde no era un planeador eficiente en ninguna medida.

No hay suficiente aire en Marte. Necesitarías alas absolutamente enormes . No hay aire en absoluto en la Luna.

Seguramente SpaceX puede encontrar una manera rápida y fácil de poner Starship en posición vertical y en posición para el próximo lanzamiento.

Starship no es estructuralmente capaz de estar en una posición horizontal. Simplemente se arrugará y/o se romperá por la mitad.

¿Podría quitar uno o dos motores si no necesita ninguno para aterrizar?

Teniendo en cuenta que solo necesita un motor para aterrizar pero 6 para despegar, obviamente no.

SpaceX ya está planeando tener diferentes variantes de Starship, por ejemplo, la luna y el espacio profundo. Solo estoy considerando una variante que necesitaría volver a aterrizar en la tierra. Creo que van a necesitar variantes de la Tierra, Marte, la Luna y el espacio profundo.
El que despegue de Marte y aterrice en la Tierra se construirá en la Tierra. Así que tiene que haber un modelo que pueda aterrizar tanto en Marte como en la Tierra.
@loweryjk: Ninguna de esas variantes requiere cambios significativos. La versión Tierra a Tierra reemplazará los Raptors de vacío con Raptors a nivel del mar; todo lo que necesita es un disco de empuje diferente. La variante de espacio profundo eliminará el hardware de recuperación (aletas del cuerpo y patas de aterrizaje). La variante "Moonship" eliminará las aletas del cuerpo y agregará propulsores de aterrizaje en el cono de la nariz; los conos de la nariz están diseñados para ser diferentes de todos modos. Su diseño propuesto necesita un cuerpo completamente diferente porque Starship no es estructuralmente capaz de estar en una orientación horizontal. Necesita un ala, que probablemente...
… necesita un larguero del ala que atraviese todo el cuerpo, pero el cuerpo son los tanques y los tanques son el cuerpo, lo que significa que el larguero del ala tiene que atravesar los tanques, o necesita rediseñar completamente los tanques. La aerodinámica es completamente diferente. Tienes que poner el tren de aterrizaje en alguna parte, no puedes ponerlo dentro del cuerpo porque ese es el tanque. El arrastre adicional solo hará que sea imposible alcanzar la órbita, y ni siquiera estoy hablando del enorme aumento de peso.
Este. No ir a Marte. Todo lo que sucede con Starship antes de Marte es un preludio. Starship es un vehículo de Marte en su corazón.
"Starship no es estructuralmente capaz de estar en una posición horizontal. Simplemente se arrugará y/o se romperá por la mitad". - ¿Qué hay de la maniobra de caída de panza? ¿O está hablando de las mayores cargas que se necesitarían al aterrizar con tren de aterrizaje?
@WayneConrad, la maniobra de caída de panza lo mantiene sostenido constantemente por la presión del aire distribuida en toda su superficie y aletas. Apoyar todo su peso en el tren de aterrizaje (y, lo que es más importante, manejar las cargas de choque y de dirección) requeriría una estructura interna completamente diferente, una estructura mucho más complicada y pesada. Y luego están las alas necesarias para un aterrizaje con planeo que también pondría cargas más pesadas en sus estructuras de anclaje que los flaps rechonchos actuales.

Además de las otras respuestas muy válidas, en este momento vemos a Starship volando solo y podemos visualizar fácilmente agregando alas, pero en modo orbital se apilará sobre el propulsor superpesado. Agregar alas grandes a la parte superior de un cohete lo hace muy inestable, similar a hacer que un dardo vuele hacia atrás , y tendría que apilarse en un ángulo extraño para poner a cero la sustentación del ala durante el ascenso.

El transbordador espacial y Buran resolvieron estos problemas apilando el elemento alado en el costado del cohete para mantener el centro de sustentación y arrastre cerca del centro de masa. El X-37B se lanza dentro de un carenado. Ambas soluciones tendrían efectos secundarios sustanciales en el diseño previsto de Starship si se incorporaran.

En teoría, sería posible utilizar un sistema de control de acción muy rápida para gestionar la inestabilidad dinámica, pero esto empieza a parecerse mucho a los problemas que se están resolviendo para realizar un aterrizaje motorizado en cualquier caso.

Es importante tener en cuenta que las "alas grandes" estaban allí para cumplir con una especificación militar que no se necesita para un transbordador comercial, la capacidad de planear una gran distancia desde el plano de su órbita. Una configuración "moderna", sin este requisito (y evitando una gran bahía de carga dentro del transbordador), necesitaría solo un poco más de "ala" de la que ya tiene Starship. Los antiguos transbordadores tienen la capacidad de devolver una gran carga útil desde la órbita.
Más ejemplos: la nave espacial Dreamchaser se lanzará en un carenado similar al X-37B. Los problemas aerodinámicos son un problema importante para hacer una versión para transportar humanos, ya que abortar es problemático con un carenado que encierra el vehículo. El antiguo DynaSoar habría volado sin carenado, pero requería agregar enormes aletas al Titán en el que se lanzó.
Esta es la razón por la cual la Fuerza Aérea encierra su transbordador en una mortaja (que también lo protege durante el ascenso). Nuevamente, el (más primitivo) DynaSoar fue diseñado para uso militar . El X-15 demostró que las alas más pequeñas eran viables y seguras si el tamaño del área de aterrizaje era lo suficientemente grande . La precisión de la computadora moderna y del GPS hace que los planeos de "un disparo" sean bastante seguros, siempre que el clima coopere.

Las alas son pesadas. Sorprendentemente así.

Como señaló Jorg, no hay aire en la Luna y la atmósfera de Marte es bastante delgada.

De hecho, la carga útil de Starships a la Luna es sorprendentemente baja, porque tiene que transportar todo el combustible para aterrizar de forma totalmente propulsiva.

Hacer trampa usando la resistencia del aire es importante.

Planean tener una variante lunar sin alas ni capacidad para volver a aterrizar en la tierra.
@loweryjk Sí, pero no tiene alas. Tiene solapas. :) Y también te refieres a que no hay escudo térmico. Acordado.

En la Tierra, solo necesita construir una pista adecuada. Eche un vistazo al concepto Fly Back Booster de la década de 1990. El planeo puede reducir la velocidad de descenso incluso mejor que el paracaidismo y, a altas velocidades de aterrizaje, no se necesita mucho ala.

Uno solo puede imaginar a un viajero en el tiempo retrocediendo a la década de 1970 y conociendo a von Braun.

Podríamos tener una idea de cómo sería el SLS de la NASA hoy.

Pero también se puede esperar que SpaceX siga adelante con su trabajo innovador y, en una era de computadoras avanzadas que reaccionan en milisegundos, el "HoverSlam" aún puede alcanzar un nivel de seguridad aceptable para el transporte de pasajeros.

El último párrafo de esta respuesta toca un punto importante que no veo en las otras respuestas: muchas tecnologías locas y peligrosas se han vuelto seguras a lo largo de los años. Por ejemplo, las baterías de iones de litio están a un pequeño pinchazo o sobrecalentamiento lejos de convertirse en un infierno, pero la mayoría de la gente guarda una en el bolsillo.
@BTompson: Efectivamente. Elon Musk ha dicho que quiere cientos de vuelos exitosos sin tripulación antes de enviar gente. Son órdenes de magnitud más pruebas no solo que cualquier otra nave espacial en la historia, sino incluso aviones y automóviles. La primera vez que un Space Shuttle Orbiter se acopló a un tanque externo y SRB y se lanzó fue el primer vuelo tripulado operativo. No tuvo un solo vuelo de prueba o demostración de toda la pila, solo algunas pruebas de planeador del Orbiter.
Si llegan a esos cientos de vuelos, entonces esto se resolverá. Pero estoy pensando que hay una buena posibilidad de nunca alcanzar esa meta.

Una mejor pregunta para hacer podría ser: ¿por qué los aviones no aterrizan verticalmente y, en cambio, requieren una pista larga? La respuesta es que el motor (o, más precisamente, la hélice o la etapa del ventilador que impulsa) carece de empuje suficiente para vencer la gravedad y, por lo tanto, el avión depende del aire que pasa a gran velocidad bajo sus (grandes) alas para mantener la sustentación.

Los cohetes tienen un empuje enorme, por lo que la falta de empuje del motor no es un problema en absoluto. Los nueve motores del Falcon 9 tienen empuje suficiente para levantar el cohete con una carga completa de combustible desde la plataforma de lanzamiento y acelerarlo hasta miles de kilómetros por segundo. Cuando aterriza, usa solo un motor, e incluso cuando se acelera al mínimo, produce tanto empuje que el propulsor no puede flotar. En su lugar, el motor debe controlarse cuidadosamente para garantizar que se desacelera a 0 m/s justo cuando llega al suelo, y luego el motor se apaga en el momento justo. Entiendo que los motores de Starship podrán reducir la velocidad lo suficiente como para poder flotar (de hecho, esto ya se demostró con el prototipo inicial de Starhopper).

Usando la ecuación del cohete podemos calcular la penalización de peso por un aterrizaje motorizado. Reorganizando la fórmula como se muestra a continuación obtenemos lo siguiente

d v = cambio requerido en la velocidad (suponga que los flaps de "ala" reducen la velocidad de caída a 50 m/s, 180 km/h, 113 mph)

v mi = velocidad de escape (3200 m/s según el artículo de Raptor en Wikipedia)

metro o metro F = relación de masa antes y después de la quema

metro o metro F = mi d v / v mi = mi 50 / 3200 = 1.016

Eso significa que si las aletas reducen la velocidad de caída de Starship a 50 m/s, la penalización de peso por el propulsor de aterrizaje para reducir la velocidad de 50 m/s a 0 m/s es del 1,6 % del peso seco total de la nave.

Hacer que los flaps sean lo suficientemente grandes como para actuar como alas adecuadas para permitir un aterrizaje seguro sería una penalización de peso mucho mayor.

Debe recordarse que los tanques de cabecera son más grandes que los requeridos solo para el aterrizaje, ya que también contendrán propulsor para las quemas de reingreso, que requieren mayor d v (cambio de velocidad).

Este no es un lugar feliz para estar, y es un testimonio de las increíbles habilidades de los pilotos (¡y una buena dosis de suerte! ) que ninguno de ellos se perdió al aterrizar.

El hecho de que no hubiera incidentes en el aterrizaje del Transbordador es un tributo al genio de los ingenieros de diseño y la habilidad y entrenamiento de los pilotos.

La suerte no tuvo nada que ver con eso.

Pero para un vehículo tripulado, es demasiado arriesgado. Si esos motores no se encienden a tiempo, usted y sus más de 100 pasajeros estarán muertos.

También hay muchas maneras de matar a más de 100 pasajeros en un aterrizaje horizontal al estilo de un avión. La respuesta correcta es dedicar el tiempo y el esfuerzo necesarios para que el sistema sea seguro y confiable, lo que ocurrirá después de que marquen el diseño final. Los vuelos de desarrollo que se están realizando en Boca Chica en este momento solo están descubriendo cómo hacer que el sistema funcione ; una vez que hayan descubierto eso, pueden dedicar tiempo a refinar y blindar.

Hemos hecho el Frankenrocket con el transbordador y hemos aprendido algunas lecciones dolorosas de él. No necesitamos aprenderlos de nuevo.

¿Por qué no aterrizar Starship de SpaceX como un avión?
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