¿Por qué se puede reutilizar el Falcon 9 mientras que el SLS no?

La respuesta de alto nivel, como dijeron otros, es "porque así se decidió".

Pero después de eso, tenemos decisiones de diseño reales que simplemente hacen que SLS sea completamente poco práctico de recuperar. Se enfoca en llevar la gran carga útil a una órbita alta y, al ignorar la necesidad de reutilización, sigue principios de diseño que hacen que la recuperación sea completamente poco práctica.

Los SRB de SLS podrían reutilizarse, pero hay pocos beneficios en eso: son dispositivos baratos y simples y una vez que el combustible se ha quemado, queda muy poco para recuperar: un caparazón grande y duro y algo de aviónica. Nunca ahorró mucho dinero en el caso del transbordador, y el proceso de recuperación y restauración fue lo suficientemente costoso y complejo como para considerar que no valía la pena los dolores de cabeza.

Luego está la etapa central. Un enorme tanque naranja de criocombustibles y cuatro motores avanzados. Valdría la pena recuperar estos motores, pero no es posible. El tanque en realidad es bastante suave, en su mayoría hecho de espuma con un revestimiento delgado de aluminio. Lleva mucho combustible, lo que significa mucho delta-V. Eso significa que alcanza una velocidad muy alta y una altitud muy alta. Y luego necesita perder esa velocidad y altitud si quiere recuperarse.

Esto es todo lo contrario a la primera etapa recuperable del Falcon 9, que apenas alcanza los 1,5 km/s (de los 8 necesarios) y solo se sumerge brevemente por encima de la atmósfera.

El Falcon 9 puede frenar y descender a una velocidad razonable y de supervivencia, sin quemarse y sin gastar cantidades excesivas de combustible al frenar, para no quemarse. La segunda etapa, no recuperable, tiene la mayor parte de la responsabilidad de alcanzar la velocidad orbital.

OTOH, la etapa central de SLS prácticamente alcanza la órbita. Se necesitaría una enorme cantidad de energía para reducir la velocidad, o algunas soluciones técnicas extremadamente complejas (y probablemente muy pesadas) para que sobreviva al descenso y use aire para frenar. No vale la pena el intercambio. Tendría que ser aún más grande o tendría que sacrificar una gran cantidad de peso de carga útil para sobrevivir al reingreso desde esa velocidad. La primera etapa de F9 no acelera mucho, por lo que se puede ralentizar con bastante facilidad. SLS se vuelve tan rápido que reducir su velocidad de forma controlada es simplemente demasiado esfuerzo y costo para molestarse.

SpaceX ha decidido que la reutilización es un objetivo de importancia crítica para mantener bajos los costos a largo plazo, por lo que han diseñado en el margen de rendimiento de ~ 15% -30% que necesitan para lograr la reutilización (la cifra más baja para el aterrizaje de barcazas en el Atlántico medio; el cifra más alta para el impulso de regreso al sitio de lanzamiento). El costo es fundamental para SpaceX porque Falcon 9 tiene que competir comercialmente con otros propulsores de elevación media como Delta IV, Atlas V y Soyuz. Si logran la reutilización que esperan, el aumento del costo de un refuerzo un 15 % más potente estará más que cubierto.

SLS es un cohete mucho más grande, que lleva de 5 a 10 veces la carga útil. Los únicos lanzamientos que realmente requieren eso son misiones tripuladas más allá de LEO. Tales misiones son pocas y distantes entre sí y no tienen que ser rentables de la misma manera que tiene que ser el lanzamiento de un satélite de comunicaciones.

El plan de reutilización de Falcon 9 se basa en un aterrizaje vertical impulsado por precisión. La etapa central de SLS es mucho más grande y pesada, y aterrizarla de manera similar sería un problema sustancialmente más difícil. Los aterrizajes en paracaídas probablemente serían factibles, pero eso hace que la recuperación y la restauración requieran más tiempo y sean más difíciles.

Criterio de diseño

El SLS fue diseñado para ser un respaldo para reemplazar el transbordador en el corto plazo y para apoyar las misiones a Marte en el largo plazo. La reutilización no estaba en la agenda entonces.

Falcon 9 es un paso en la visión de Elon Musk de permitir la civilización humana autosuficiente de Marte. Así que su filosofía de diseño subyacente es diferente: es más a largo plazo. Esto lo explica el propio Musk, en un video de una entrevista One on One publicado previamente por el usuario flangford.

La opinión de Musk es que aterrizar en cualquier lugar que no sea la Tierra requiere aterrizajes suaves impulsados ​​por cohetes, por lo que es mejor que SpaceX se vuelva bueno en ellos. También cree que la competencia hará bajar los precios, haciendo que el espacio sea más accesible. La reutilización es un componente clave de esto, por lo que implementar una función ahora que eventualmente será necesaria de todos modos sirve para ambos propósitos.

Según SpaceX , un lanzamiento de F9 tiene un precio actual de $ 61,2 millones, entregando 13 150 kg a LEO a $ 4654/kg. En esta respuesta de 2013 , PearsonArtPhoto cita a Falcon 9 a $ 4109, Ariane 5 a $ 10 476, Delta IV a $ 13 072 y Atlas V a $ 13 182. En números redondos, SpaceX cotiza entre el 30 y el 40 % del precio de otros lanzadores occidentales.

Pero la competencia de precios se vuelve más fuerte con Falcon Heavy. La misma página de SpaceX cita un lanzamiento de Falcon Heavy a $ 85 millones, entregando 53 000 kg a LEO a $ 1604/kg, 1/8 del costo de un Delta IV (y también comparando dólares de 2013 con dólares de 2015).

En el video , Musk también menciona que SpaceX está planeando un vehículo más grande para seguir a Falcon Heavy.

La ESA ha respondido con el Ariane 5 Midlife Evolution . La propuesta actual de Ariane 6 no incluye la reutilización, pero sí menciona la competencia de precios.

Conclusión

La diferencia se debe a objetivos de diseño completamente diferentes, impulsados ​​por diferentes filosofías corporativas. Se espera que la competencia entre los sistemas de lanzamiento reduzca los costos y, a medida que bajen los costos, más misiones se volverán prácticas, lo que conducirá a una expansión del mercado de lanzamiento. En la vista de SpaceX, la reutilización es clave.

El plan inicial de SpaceX para recuperar una primera etapa fueron los paracaídas en el agua. Después de todo, tenían toneladas de datos disponibles de la NASA sobre las recuperaciones de SRB (¿266 de ellos?).

Pero después de probar los primeros vuelos del Falcon 9 1.0, se dieron cuenta de que necesitaban reducir la velocidad del cohete antes de que golpeara la atmósfera (donde funcionarían los paracaídas) o, de lo contrario, se calentarían demasiado en el camino hacia abajo y se quemarían.

Tomaron las lecciones aprendidas de Falcon 9 v1.0 y las transfirieron a Falcon 9 v1.1, que es lo que ven hoy. (Por supuesto, desde entonces agregaron aletas de rejilla, cambiaron la cantidad de fluido de control para esas aletas, están a punto de actualizar el motor Merlin 1D en los próximos vuelos y probablemente muchos más cambios que no nos dirán).

Eso debería darle un patrón sobre cómo abordaron la reutilización.

SLS planea lanzar cargas útiles una vez cada 4 años si tenemos suerte. Es poco probable que estén dispuestos a experimentar, aprender, reaccionar y actualizarse de la misma manera en ese tipo de modelo.

Cuando se diseñó SLS, la recuperación no se consideró una prioridad. Entonces, mientras que en los días del transbordador, los SRB al menos se recuperaron y en su mayoría se reutilizaron (después de MUCHO retrabajo, hasta el punto, casi no hubo ahorros de costos) para SLS, se desechan, no hay intentos de recuperación.

Mientras que los SSME (motores RS-25D) que usó el transbordador podrían reutilizarse (después de un trabajo de renovación significativo y costoso), el SLS no los recuperará, sino que los desechará.

Soy conocido por ser cínico acerca de SLS en este aspecto, así que tome mi perspectiva con ese grano de sal, ya que sugiero que la rentabilidad nunca fue una preocupación para SLS, solo la cantidad de trabajos que mantendría en estados cruciales. (Creo que la NASA es una gran organización de investigación. Creo que son un terrible proveedor de lanzamiento. Gran diferencia).

Si considera eso en comparación con el modelo SpaceX de tratar de ganar dinero y, en el proceso, devolver el dominio de lanzamiento a los EE. UU., Aumentar la presencia de humanidades en el espacio, entonces es obvio por qué.

Están haciendo sus apuestas de manera diferente.

Si bien SpaceX es bastante innovador con su sistema de lanzamiento reutilizable, la NASA tiene un enfoque más conservador y construye un sistema de lanzamiento totalmente prescindible porque eso es lo que ha demostrado que funciona.

Después de varias fallas, SpaceX logró llevarlo a cabo y volar la primera etapa de regreso a la plataforma de lanzamiento. Pero si esta hazaña se puede replicar de manera confiable y si en realidad es más barata, aún está abierta. Así que el futuro nos dirá qué enfoque prevalecerá.

Además, el SLS está tratando de romper el récord del sistema de lanzamiento más poderoso jamás construido. Un sistema totalmente prescindible siempre será más potente que uno reutilizable con la misma masa de lanzamiento porque no necesita ningún equipo de aterrizaje y no es necesario construir ninguna pieza más resistente de lo necesario para sobrevivir a un solo lanzamiento.

Al leer sobre SLS, aprendí que la razón por la que no reutilizarán su cohete es que el peso de los paracaídas para permitir la recuperación es un sacrificio demasiado grande.

Más bien, es imposible construir paracaídas lo suficientemente grandes como para reducir la velocidad lo suficiente como para sobrevivir al impacto. Los SRB en STS usaron los paracaídas más grandes jamás fabricados, y aun así golpearon el agua lo suficientemente fuerte como para causar daños significativos. Los SRB son bastante robustos en comparación con los tanques y motores de combustible líquido. Incluso si pudieras hacer paracaídas lo suficientemente grandes como para permitir un amerizaje del núcleo del SLS, los tanques y los motores serían aplastados por el impacto.

Sin mencionar que sumergir los motores de cohetes calientes en agua salada fría probablemente los haría no reutilizables, incluso si lograran no ser destruidos por el impacto.

Cuando SpaceX estaba desarrollando su tecnología de reutilización, las primeras etapas entraron en la bebida, donde rápidamente se rompieron y se hundieron debido a la acción de las olas. SLS es mucho más grueso que el F9, por lo que podría ser un poco más robusto en ese sentido, pero aún perdería los motores, que es lo único que realmente desea recuperar y reutilizar.

Pero la respuesta simple es que la reutilización no fue una consideración de diseño para SLS. En absoluto. Está diseñado para levantar cargas útiles muy pesadas mientras mantiene empleados a ciertos contratistas. De hecho, con su tasa de vuelo propuesta (1 cada dos años), gastar el dinero extra para desarrollar un sistema reutilizable no tiene mucho sentido. La reutilización tiene sentido para SpaceX porque tienen docenas de misiones esperando un viaje en este momento , y potencialmente cientos con sus planes de constelaciones de satélites. Incluso si solo les ahorra un millón aquí o allá para usar un propulsor prevolado en lugar de construir uno nuevo, la cantidad de misiones que han planeado se suma a dinero real.

Esto es para la sección central reutilizable (no de refuerzo) para alguien interesado en un tema relacionado. Para el refuerzo reutilizable, consulte esta opinión .

Copié la publicación volker2020 y butters en "Tema: SLS Reutilizable ¿Es posible?" en el foro de la NASA:

Este hecho y opinión son para el aterrizaje vertical como SpaceX Falcon 9:

Parece que SLS ya está equipado con o con modificaciones:
   Electrónica de vuelo (control y navegación)
   Patas de aterrizaje

Pero el desafío existía:

   Ausencia del sistema mecánico:
     La geometría de los motores: necesita al menos un motor que se pueda estrangular, pero no hay un motor central, por lo que necesitarían usar dos opuestos para obtener un vector de empuje uniforme.
     Reiniciar el motor principal podría ser el mayor problema, pero ellos, RS-25, no pueden reiniciar (en este momento).
     El escenario está cubierto de espuma. Eso realmente no se presta a una reentrada en caliente, como lo vemos con SpaceX Falcon 9.
     La sección de empuje del SLS es bastante pesada, lo que requeriría más combustible para aterrizar.

   Límite de operación:
     dado que el RS-25 no se puede reiniciar, el mayor problema es que la etapa central del SLS alcanza una velocidad casi orbital, sobrevuela el Atlántico y África y vuelve a entrar sobre el Océano Índico a velocidades superiores a Mach 20.

Según nbc1397 en el foro, una de las posibles soluciones parece ser una combinación de 4 motores de cohete RS-25 y 1 RL-10/BE-3 en la etapa central. el RL-10 se utilizaría para el aterrizaje.

También creo que deberíamos pensar en diferentes formas de aterrizar en la etapa central porque SpaceX utilizará el método Chopstick, Mechazilla, para el refuerzo Super Heavy (etapa central de Starship). El núcleo SLS tiene un peso y una velocidad de reingreso similares a los del Super Heavy (no al Falcon 9).