¿Cómo planea SpaceX lograr la reutilización de la *segunda* etapa de Falcon 9?

Propuesta antigua/original para reutilización de segunda etapa

La reutilización de la segunda etapa para Falcon 9 fue una característica planificada que se suspendió. En este render antiguo (muestra un Falcon 9v1.0 con bloque de motor cuadrado) puedes ver un plan de reutilización muy similar al que describiste. La boquilla de la segunda etapa se retraería en la estructura del tanque, las patas pequeñas se desplegarían y los motores más pequeños (kestrel, draco?) Realizarían el aterrizaje real.

Sin embargo, la reutilización de la segunda etapa es difícil. La primera etapa es una bestia masiva que hace la mayor parte del trabajo pesado en órbita. Sin embargo, la segunda etapa proporciona la mayor parte de la velocidad. Una vez que la segunda etapa inserta a Dragon en órbita, necesitaría tener suficiente combustible para desorbitar/intersectar la atmósfera y luego usar un escudo térmico pesado para reducir su velocidad en el reingreso. Todas estas cosas añaden peso.

Debido a la naturaleza de la puesta en escena y la ecuación del cohete, aproximadamente cada 4 libras de peso muerto en la primera etapa quita 1 libra de carga útil. En la segunda etapa es una conversión 1:1. Todo el peso adicional para la reutilización (escudo térmico, patas, combustible adicional, maquinaria para la retracción de la boquilla) se quita de la masa total de la carga útil.

SpaceX ya tiene una etapa superior ineficiente en relación con la mayoría de los proveedores de lanzamiento. Su uso de Kerolox en ambas etapas simplifica el diseño y el almacenamiento, pero significa que el Isp de la segunda etapa es mucho peor que una etapa de hidrógeno criogénico. Ahora, ¿por qué SpaceX cambió de opinión? Elon Musk explicó esto en el MIT Aero/Astro Centennial . Cuando se le preguntó acerca de la reutilización de la segunda etapa

Los vehículos de próxima generación después de la arquitectura Falcon se diseñarán para una reutilización total. No espero que el Falcon 9 tenga una etapa superior reutilizable, solo porque, con un sistema a base de queroseno, el impulso específico no es lo suficientemente alto para hacer eso, y muchas de las misiones que hacemos para satélites comerciales despliegue son misiones geoestacionarias. Entonces, realmente vamos muy lejos. Estos son de alta velocidad deltamisiones, por lo que tratar de recuperar algo de eso es realmente difícil. Pero, con la próxima generación de vehículos, que será un sistema de metano/oxígeno subenfriado en el que los propulsores se enfrían cerca de su temperatura de congelación para aumentar la densidad, definitivamente podríamos lograr una reutilización total, y ese sistema está destinado a ser un sistema de transporte de Marte totalmente reutilizable. Entonces, no solo a la órbita terrestre baja, sino hasta Marte y de regreso, con total reutilización. [¿Dentro de 3 años?] Ha. Soy una persona optimista, pero creo que podríamos esperar ver algunos vuelos de prueba en un plazo de cinco o seis años. Pero, estamos hablando de un vehículo mucho más grande, y también vamos a actualizar a una nueva generación: un ciclo de motor más duro, que es una combustión por etapas de flujo completo. Lo que tenemos ahora es un motor de ciclo abierto. En este momento,

Falcon 9 no podrá lograr esto, pero el BFR/MCT sí.

Una posible cosa que podría ayudar es cambiar a metalox en la segunda etapa para obtener un rendimiento adicional para pagar las aletas de la rejilla y un escudo térmico. El motor raptor de subescala que probaron en septiembre de 2016 tiene un empuje de 1MN, que es similar al empuje mejorado del Merlin 1D de vacío. El motor también es de un tamaño similar.

Las dimensiones de la segunda etapa no pueden cambiar mucho, pero la densidad más baja del metano que la del queroseno se ve algo compensada por la relación O/F más alta y la alta densidad de LOX.

Después de que se lanzaron en serio, SpaceX decidió que la recuperación de la segunda etapa sería demasiado difícil y aún mantendría una carga útil útil.

Musk recientemente reflexionó en un tweet , que:

Realmente tentador rediseñar la etapa superior para el regreso también (Falcon Heavy tiene suficiente potencia), pero probablemente sea mejor concentrarse en el cohete de Marte

Esto indica que el mejor ISP del motor Raptor que se está desarrollando para las misiones a Marte podría hacerlo posible.