¿Por qué es preferible que SpaceX aterrice su propulsor verticalmente en lugar de hacerlo volar con alas?

SpaceX aterriza su cohete propulsor verticalmente, esto parece complicado. El transbordador espacial aterrizó con alas, lo que parece más simple. ¿Por qué es preferible que el cohete aterrice verticalmente en lugar de con alas?

Respuestas (3)

Las alas son pesadas. Las superficies de control son difíciles de mover a velocidades de reingreso, por lo que necesitan un sistema hidráulico potente. Estos deben ser triplemente redundantes. Más peso para llevar.

Las alas no son útiles en órbita y son masa muerta transportada hacia arriba y luego hacia abajo.

El transbordador no pudo dar la vuelta para una segunda pasada, por lo que cualquier error durante el aterrizaje y la tripulación estaban muertos. Afortunadamente, eso nunca sucedió, pero creo recordar que un transbordador aterrizó corto y estuvo cerca de tener un problema. Una historia de lanzaderas de aterrizaje cortas es interesante.

Mientras que el aterrizaje vertical parece complejo, la realidad es que los motores y el combustible ya están allí. Se necesitan en el camino hacia arriba. Si desea recuperarlos, debe traerlos de vuelta, por lo que también podría usarlos en el camino hacia abajo. El combustible ya está en el propulsor, solo use un poco para regresar en lugar de todo para ponerlo en órbita. (Reduce la carga útil, sí, pero puede valer la pena, el tiempo dirá si vale la pena).

SpaceX está reduciendo muy bien el riesgo con pruebas incrementales a través de Grasshopper, F9R-Dev1 y luego pruebas reales en vuelos comerciales pagados.

Por lo tanto, el punto es que sí, el aterrizaje vertical requiere combustible adicional y tiene costos de carga útil. Pero también lo hace un par de alas. Wings parece simple, pero a medida que profundizas, agregas más y más subsistemas, hasta que consume mucha más carga útil de lo que esperabas.

Revisando esta respuesta casi tres años después, han aterrizado con éxito 8 o más etapas, ya sea en la flota de barcazas de ASDS o en tierra. Por lo tanto, está claro, la prueba está en el pudín. (Y el budín es delicioso y divertido de ver). Misión tras misión aterriza. La reutilización ha sucedido. Queda por ver si la reutilización es rápida y asequible. Supongo que tendré que revisar esto en otros dos años, según lo que venga después.

Es bastante sorprendente que el combustible requerido (con cierto margen de seguridad) para ejecutar un descenso controlado a un aterrizaje suave sea en realidad más ligero que las alas, el sistema hidráulico, las ruedas, etc. dada la gran cantidad de combustible necesario para el lanzamiento.
@AnthonyX Casi todo el combustible se ha agotado cuando llega el momento de regresar. Por lo tanto, la etapa pesa una pequeña fracción de la masa de lanzamiento. Luego, el frenado aerodinámico puede ralentizar el escenario lo suficiente como para que solo se requiera una cantidad razonable de frenado de cohete. Cuesta carga útil, pero puede valer la pena. El tiempo dirá.
Otra cosa es que introduciría una presión lateral significativa en el cuerpo del escenario, por lo que tendría que reforzarse para soportar eso, lo que aumentaría su peso. En ese momento, realmente está diseñando un SSTO y no una primera etapa reutilizable. Y todos sabemos cuáles vuelan actualmente y cuáles no.
Teniendo en cuenta las ambiciones marcianas de SpaceX, una consideración adicional podría ser que pueden usar los mismos cohetes para aterrizar (un Dragón) en cualquier lugar. El aterrizaje aerodinámico a través de la delgada atmósfera y la menor gravedad de Marte necesitaría una forma diferente (y sería mucho más desafiante) que aterrizar en la Tierra. Además, no necesitan construir enormes pistas de aterrizaje, especialmente en Marte. Y el aterrizaje de precisión vertical en cualquier lugar ayuda a la seguridad durante una emergencia también en la Tierra. El mismo sistema se utiliza como sistema de escape de lanzamiento, del que carecía el transbordador. El módulo de aterrizaje de Marte, el sistema de escape y las pistas de aterrizaje se reemplazan.
@LocalFluff Buenos puntos, pero la pregunta es sobre la primera etapa (refuerzo), no sobre el Dragón (¿creo que se llamará "Dragón Rojo" para Marte?).
@geoffc, buena respuesta. Esperaba que pudiera agregar que el control de actitud en el descenso es novedoso y, por ahora, es un inconveniente de aterrizar ahora con tecnología que la humanidad ha estado usando durante un siglo (alas). Tal vez también se podría mencionar que SpaceX usa motores que se pueden estrangular, lo que no es el caso de los propulsores de pólvora.
@ChrisR Muchos elementos del aterrizaje vertical son novedosos. Los motores acelerables (que también son SSME, RD-180 hasta cierto punto, RS-68A, etc.) no son algo nuevo. Por supuesto, esto nunca funcionaría con sólidos, que en su mayoría se disparan una vez y luego se queman por completo. Restartable es probablemente un mejor punto que throttleable.
@geoffc Buena respuesta, solo un pequeño punto: la noción de un segundo intento de aterrizaje no es exclusiva de los sistemas sin alas. Buran tenía una capacidad de reintento limitada: en.wikipedia.org/wiki/Buran_%28spacecraft%29

Un sistema de aterrizaje vertical, en comparación con uno alado, hace varias cosas:

  • aumenta los sitios de aterrizaje disponibles (ver nota 1)
  • fomenta impulsores más ágiles (lo que permite mejores correcciones de rumbo)
  • requiere muy poco hardware adicional
  • conserva una fracción mayor de la carga útil de lanzamiento desechable (ver nota 2)
  • no excluye un uso desechable si la maximización de la carga útil es esencial (consulte la nota 3)

Nota 1:
El sistema de aterrizaje vertical necesita un círculo de alrededor de 100 m de radio para aterrizar (principalmente debido a la explosión del motor). Necesita que sea una superficie relativamente firme. Cualquier lugar plano con una plataforma de concreto

El aterrizaje alado requiere al menos 20 m de ancho, por al menos un kilómetro de largo. Tiene que ser casi plano, bastante suave y libre de obstáculos de aproximación. Además, está la consideración de las direcciones de aproximación: la NASA tenía una red de unas 30 pistas aprobadas para diferentes aproximaciones de aterrizaje.

Nota 2:
El único equipo adicional necesario para el lanzamiento vertical es el tren de aterrizaje y los cardanes adicionales para el empuje. Todo el equipo adicional puede ser radialmente simétrico tanto para la masa como para la resistencia atmosférica. La penalización de masa principal es la combinación de la masa de combustible para el combustible de aterrizaje y la pérdida de ese mismo combustible para el lanzamiento de la carga útil.

Para el aterrizaje con alas, el equipo adicional necesario incluye las alas, el tren de aterrizaje y las superficies de control. Las alas inherentemente no están equilibradas: producen una fuerza lateral durante un despegue vertical y no se hacen fácilmente simétricas en varios ejes. La penalización de combustible se debe principalmente a la masa adicional de las alas, pero es una penalización significativa porque la masa de las alas es tan profunda que, contando las superficies de control, las alas suelen ser la mayor parte de la masa seca.

Nota 3:
La penalización de masa por uso desechable en una lancha de aterrizaje vertical es solo el tren de aterrizaje y los cardanes.

La penalización masiva por el uso desechable en un diseño alado todavía incluye las alas masivas y el combustible adicional necesario para levantarlas; el uso desechable no gana ningún beneficio.

Las alas también agregan algo de resistencia. No estoy seguro de cuánto (en comparación con el arrastre del cohete / carga útil / carenado que tienes en los lanzamientos sin alas de todos modos), pero no es cero. Del mismo modo, no estoy seguro de cuánto afecta la resistencia a la capacidad de carga útil en comparación con el efecto de la masa del ala en la capacidad (si tomó un vehículo alado y pudo hacer que las alas fueran sin resistencia o sin masa en el ascenso, que sería más beneficioso?), Aunque sospecho que la resistencia es una penalización menor que la masa (en parte porque solo se aplica en la atmósfera). Aún así, sacar más aire del camino cuesta algo.

Los cohetes son cilíndricos, similares a los aviones de pasajeros, etc., pero el diseño estructural está orientado al vuelo vertical (y, como saben, ahora al aterrizaje vertical). Una respuesta contemporánea en Aviation.SE muestra el diseño estructural de un cilindro horizontal, en este caso un avión 777.

A menos que los vehículos orbitales se desarrollen a partir de una filosofía de diseño de despegue a órbita horizontal, un vehículo determinado debería diseñarse para resistir tanto el despegue vertical como el aterrizaje horizontal. Esto agrega peso y complejidad, rompiendo algunas reglas económicas bastante fundamentales de los vuelos espaciales.

¿Por qué es preferible que SpaceX aterrice su propulsor verticalmente en lugar de hacerlo volar con alas?
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