¿Cómo evita que la primera etapa del Falcon 9 se queme al volver a entrar?

Ahora que la primera etapa de un Falcon 9 aterrizó con éxito después de una misión de lanzamiento, quiero saber cómo puede evitar que la primera etapa se queme cuando regrese a tierra.

No parece haber ningún escudo térmico en la parte inferior del cohete, y supongo que la primera etapa estaría muy por encima de la atmósfera, lo que significa que tendría que volver a entrar.

También noté durante el último video decente, que los motores de la primera etapa estaban disparando en pares con un empuje muy bajo durante aproximadamente 5 segundos por ciclo, luego cambiaban a otro par. Es muy probable que esto ayude a proteger el vehículo usando los gases de escape durante la parte más crítica del reingreso.
@svrima Estoy bastante seguro de que no cambian los pares de motores ... solo se pueden reiniciar 3 motores.

Respuestas (2)

El calor de reingreso depende en gran medida de la velocidad. La segunda etapa del cohete es responsable de proporcionar la mayor parte de la velocidad necesaria para la órbita, después de que la primera etapa lo saque de la densa atmósfera.

Falcon 9 separa su primera y segunda etapa a una velocidad relativamente baja, por lo que su reingreso comienza drásticamente más lento que un reingreso desde la órbita: alrededor de 1650 m/s para el vuelo de regreso al sitio de lanzamiento en diciembre de 2015, en comparación con la velocidad orbital. de 7700 m/s. La separación de etapas puede ser un poco más rápida en sus vuelos de aterrizaje en barcazas, pero la primera etapa aún se mueve mucho más lentamente que la velocidad orbital.

Sin embargo, eso todavía está alrededor de Mach 5 o 6, lo que produce mucho calor. Entonces, el cohete enciende tres de sus motores para reducir aún más la velocidad antes de ingresar a la parte más densa de la atmósfera. El penacho de escape de esa quemadura, también, fuerza la compresión atmosférica que crea el calor de reentrada para que ocurra muy lejos del cohete.

El resultado final es que la carga de calor es lo suficientemente ligera como para que el cuerpo del cohete pueda sobrevivir.

Hay una capa protectora en la parte inferior del cohete, en lugar de un escudo térmico ablativo pesado. Las campanas del motor en sí son las más afectadas por el calor de reentrada y, obviamente, son capaces de hacer frente a temperaturas muy altas.

¿SpaceX ha publicado alguna explicación/datos sobre el regreso de la primera etapa?
¿A qué te refieres en particular? Han dado mucha información.
Mis disculpas, me refiero a los desafíos de evitar quemar la primera etapa en el regreso.
No he visto mucho sobre el calor específicamente, no. Hay esto sobre la estrategia general: spacex.com/news/2015/06/24/why-and-how-landing-rockets
También han declarado que la penalización de peso por un escudo térmico y otras características que serían necesarias para recuperar la segunda etapa (que volvería a entrar desde la velocidad orbital) es prohibitiva y no lo van a intentar para la serie Falcon.
¡Confirmado! El físico Mark Adler declaró que la (s) primera (s) etapa (s) original (es) SÍ se quemaron, momento en el que SpaceX agregó la reactivación de los motores principales para reducir la velocidad del cohete lo suficiente como para evitar que se queme. quora.com/…
Interesante, no había escuchado que hubiera habido una pérdida inesperada de la primera etapa de un Falcon 9 en el reingreso. Mark Adler es un cliente habitual aquí, tal vez arroje algo de luz.
¡ El calentamiento aerodinámico está relacionado con la velocidad al cubo !
Así es @BrianLynch! Siempre lo olvido: la fuerza de arrastre es la velocidad al cuadrado , pero el trabajo es la fuerza por la distancia , por lo que la potencia es la fuerza por la velocidad , o la velocidad al cubo .
Sin embargo, el tiempo de calentamiento se reduce porque lo supera más rápido, por lo que el calor total que debe tratarse tendrá un exponente de proporcionalidad más bajo.

Aquí hay una imagen de la parte inferior del escenario antes del lanzamiento.

F9 primera etapa

Como puede ver, todo el fondo está cubierto de paneles blancos. Sospecho que esos paneles son un escudo térmico.

Este comunicado de prensa de SpaceX sobre la introducción del Falcon 9 v1.1 se refiere a un escudo térmico. La referencia es un poco oblicua, pero creo que se refiere a la primera etapa.

Aquí está la misma área después de un aterrizaje exitoso:

despues de aterrizar

Los paneles ahora están carbonizados, pero aún están intactos.

Aquí hay un video infrarrojo que muestra que el cohete se calienta bastante: en un momento se pone al rojo vivo, y eso es antes de que los motores se enciendan para la quema de reingreso.

¡GUAU! Estas fotos agregan mucha perspectiva de lo que atraviesa el fondo de la roca. ¡Gracias por la adición!
Hobbes, es posible que esté exagerando un poco acerca de que los paneles no necesitan estar allí para ascender. Como puede ver en esta imagen nasa.gov/sites/default/files/images/… STS también tenía mucho escudo térmico allí. Hay una enorme cantidad de recirculación de gases de escape en los extremos traseros romos de estos vehículos de lanzamiento cuando entran en la atmósfera delgada. También vea cómo se quemó el extremo de popa del ET. upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/External_Tank.jpg Ninguno de estos aislamientos era para la entrada.
video interesante No deseo desafiar la cadena lógica con respecto a la necesidad del escudo térmico. Creo que una interpretación más informada del video es necesaria de todos modos. ¿Cómo sabemos que el "brilla al rojo vivo" se debe enteramente al reingreso y no es simplemente una consecuencia de que el motor todavía está caliente después del encendido de ascenso? La escala de colores no está clara. Sospecho que no ha sido calibrado para la emisividad superficial esperada, sobre todo porque esperaríamos que esto cambie en vuelo: mide la radiación IR, no la temperatura. No podemos ver si el color blanco significa 200 grados o 1000 grados.
@OrganicMarble: De memoria, hay una sección de motores de primera etapa de Ariane 4 en la ESTEC Space Expo que tiene los motores descubiertos. Pero al revisar mis archivos, veo hardware de vuelo, esta sección estaba cubierta.
@Puffin, el video IR tiene una escala de temperatura a la derecha. Supongo que los números son temperaturas en K. La escala cambia en varios puntos del video. Estoy de acuerdo en que interpretar el video es en parte una conjetura, pero este video fue el resultado de un intento deliberado de obtener datos científicos. Me parece poco probable que la cámara no estuviera calibrada, ya que no tendría sentido hacer todo esto sin saber qué datos recopilaste.
@Hobbes Ahora miré la báscula con un mejor par de anteojos, los números regulares cambian constantemente, sigue siendo un rompecabezas para mí. Estoy de acuerdo con su valor, es solo que los creadores no nos han transmitido tanto como pudieron. Para mí, una cámara IR solo puede medir la potencia térmica. Uno tendría que calibrar la emisividad (tal vez = 1.0, aunque no es obvio que metal desnudo = hollín = penacho en ese sentido) y también la absorción de la cámara distante. Sin embargo, todo esto es una distracción: está "brillando" después de MECO, durante su maniobra para salir de la pluma de la segunda etapa y después.
Ciertamente tiene razón en que algunos propulsores tienen los motores colgando. tutorials.nti.org/wp-content/uploads/2015/04/… Pero como se señaló, hay contraejemplos.
@Puffin en esta captura de pantalla del comienzo de este video se indica " escala de color: cuenta del sensor MWIR ". Counts se refiere a los recuentos de ADC ( busque aquí la palabra "count") o lea las respuestas a esta pregunta . Convertir una señal MWIR a temperatura absoluta de manera confiable sería más que un poco complicado.
"Negro carbonizado" : ¿no podría ser simplemente la misma acumulación de hollín que vimos en los costados del escenario?
Estoy bastante seguro de que esto no está realmente carbonizado. Carbonizado implicaría un escudo térmico ablativo, y eso no es reutilizable sin reemplazo como se supone que es el F9.
¿Cómo evita que la primera etapa del Falcon 9 se queme al volver a entrar?
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