¿Por qué no se han desarrollado tecnologías de lanzamiento reutilizables?

La fracción de masa y la ecuación del cohete de Tsiolkovsky crean grandes obstáculos.

Mf, o la relación entre el propulsor y la masa seca viene dada por:

$Mf=1-e^{-delta V/V_{exhaust}}$

Para salir de un pozo de gravedad escarpado, necesitamos un propulsor de alto empuje. Así que usamos cohetes químicos. los$V_{exhaust}$para los propulsores químicos de mayor ISP es de alrededor de 4 km/s. Delta V para llegar a LEO es de alrededor de 9 km/s.

Este tipo de delta V combinado con la ecuación del cohete de Tsiolkovsky significa alrededor de un 90 % de propulsor y un 10 % de masa seca.

Ahora, parte del presupuesto de masa seca debe destinarse a motores de cohetes, estructura, aviónica, fuente de energía y carga útil. Entonces, a medida que aumenta el presupuesto delta V, nos quedamos con tanques de combustible tan tenues como una lata de coca cola de aluminio.

Foto del tanque transbordador de la NASA

Aumente más el presupuesto delta V y necesitará paredes del tanque de combustible de celofán y rayos de luna.

Una de las formas de lograr las fracciones de masa exigidas por la ecuación del cohete es desechar la masa seca en el camino: cohetes prescindibles de etapas múltiples.

Y luego está el reingreso. Así que ahora tenemos una nave espacial tan robusta como una cáscara de huevo que vuelve a entrar en la atmósfera terrestre a 8 km/s. El reingreso somete al barco a condiciones muy extremas: temperaturas de miles de grados, presión dinámica que hace que un huracán de clase 5 parezca una brisa suave.

Le doy a SpaceX mejores que las probabilidades de que reutilicen una etapa de refuerzo. Si la etapa de refuerzo tiene un presupuesto delta V de solo 4 o 5 km/s, eso permite una estructura más resistente. Además, el propulsor no volverá a entrar en la atmósfera a velocidad orbital.

La reutilización de una cápsula también podría ser factible. Una cápsula vuelve a entrar en la atmósfera a velocidad orbital. Pero tiene un presupuesto delta V bajo. El presupuesto delta V más bajo permite una fracción de masa que permite una estructura robusta y un Sistema de Protección Térmica (TPS).

Doy menos que incluso probabilidades de que la segunda etapa se pueda reutilizar. La segunda etapa necesita proporcionar alrededor de 8 km/s y necesita volver a entrar a 8 km/s.

Si bien doy mejores que las probabilidades de que la cápsula SpaceX y el refuerzo se puedan reutilizar, doy un poco menos de las probabilidades de que se puedan reutilizar económicamente . El transbordador espacial reutilizó algunas partes, pero los ahorros se consumieron en gran medida en los costos de renovación. ¿Cuáles serán los costos de renovación de SpaceX? Esto aún está por verse.

La razón básica es que se necesita mucha velocidad para poner un objeto en órbita. Por ejemplo, la velocidad orbital en LEO es de alrededor de 7,8 km/s. Lo que esto significa necesariamente es que la etapa final del cohete, la que realmente lanza el satélite en su órbita prevista, se moverá a una velocidad casi orbital. Si desea recuperar esa etapa, debe volver a ralentizarla.para que pueda volver a entrar en la atmósfera, lo que se puede hacer de manera más económica mediante una combinación de combustible para una quema de reingreso, un escudo térmico para sobrevivir al reingreso y un paracaídas o más combustible para un aterrizaje suave. El problema es que todo eso agrega un peso significativo, por lo que en lugar de solo lanzar la carga útil en órbita, ahora está lanzando la carga útil, el combustible, el escudo térmico y un paracaídas en órbita. Esta es la razón por la que pronto no será práctico recuperar las etapas superiores.

Se propuso reutilizar los tanques del transbordador espacial poniéndolos en órbita. Esto habría sido mucho más barato que reutilizarlos en tierra, ya que el combustible adicional requerido para impulsarlos a una órbita segura habría sido mucho menos pesado que el combustible, el escudo térmico y el paracaídas para llevarlos de regreso a la superficie de la Tierra.

La recuperación y reutilización de etapas inferiores es más práctica porque no viajan tan rápido e incluso podrían estar todavía en la atmósfera, lo que hace que los paracaídas sean muy prácticos. Cuanto menos delta-v se requiera para la recuperación, más económica y práctica será. Por eso se recuperaron los cohetes propulsores del transbordador espacial. Sin embargo, la recuperación de la primera etapa no está exenta de serios desafíos, como lo demuestran los ejercicios de SpaceX en la recuperación de la primera etapa:

Siguiendo el desván del propulsor de la segunda etapa y la carga útil en su trayectoria orbital, SpaceX realizó una prueba de vuelo exitosa en la primera etapa gastada. La primera etapa desaceleró con éxito desde la velocidad hipersónica en la atmósfera superior, hizo un reingreso exitoso, aterrizó encendido, desplegó sus patas de aterrizaje y aterrizó en la superficie del océano. La primera etapa no se recuperó para el análisis ya que se rompió la integridad del casco, ya sea en el aterrizaje o en el posterior "vuelco y golpe del cuerpo". Los resultados del análisis posterior al aterrizaje mostraron que la integridad del casco se perdió cuando el cuerpo del cohete propulsor de 46 metros (150 pies) de altura cayó horizontalmente, como estaba previsto, sobre la superficie del océano después del aterrizaje.

-- wikipedia

No es fácil diseñar una estructura que resista las fuerzas verticales de gravedad/aceleración y las fuerzas muy diferentes involucradas en volcarse de lado. Incluso con un paracaídas no puedes simplemente lanzar un cohete de 15 pisos en el océano y esperar lo mejor. Esta es una de las razones por las que SpaceX está intentando aterrizar la primera etapa en posición vertical, ya que sería mucho más económico hacerlo que agregar los refuerzos estructurales adicionales necesarios para que un cohete tan grande resista volcarse al agua.

Sin embargo, no hay ninguna razón en principio por la que no se pueda construir un cohete completamente reutilizable, el cohete solo tiene que ser significativamente más grande (en términos de combustible) y más complejo que el cohete desechable equivalente, hasta ahora no ha sido económicamente viable. para hacer cohetes tan grandes y complejos.