Как SpaceX планирует добиться повторного использования *второй* ступени Falcon 9?

Обновление от 8 апреля 2017 г.: Илон Маск написал в Твиттере, что они пересматривают возможность восстановления на втором этапе, поэтому этот вопрос снова актуален, и детали нового решения могут отличаться от старого.

Обтекатель стоит около 5 миллионов долларов, но в этом году его можно будет использовать повторно. Я вполне уверен, что к концу следующего года мы сможем повторно использовать верхнюю ступень, чтобы достичь 100%.

SpaceX хочет сделать Falcon 9 полностью многоразовым. Они делают определенный, хотя и медленный, прогресс в восстановлении первой ступени посредством приземления с приводом, что требует нескольких функций:

  • Двигатели на холодном газе для поворота ступени хвостом вперед после отделения второй ступени.
  • Аэродинамические рули в верхней части ступени для управления траекторией при заходе на посадку.
  • Глубокое дросселирование одного главного двигателя, чтобы получить достаточно низкий TWR для управляемой посадки.
  • Посадочные ноги

Верхняя ступень будет двигаться по гораздо более быстрой траектории, поэтому им придется добавить полный теплозащитный экран в передней части ступени.

На первый взгляд может показаться, что для гораздо более короткой второй ступени нужны более короткие опоры, потому что ее центр тяжести будет ниже, но версия верхней ступени двигателя Merlin имеет очень длинное сопло, которое охлаждается излучением, что означает открытое, а не кожухом, поэтому ноги должны быть установлены довольно высоко и довольно длинные (и, следовательно, тяжелые).

Однако самая большая проблема, по-видимому, заключается в дросселировании двигателя. Пустая верхняя ступень весит около четверти веса первой ступени, но будет иметь почти такой же уровень тяги.

Будут ли они пытаться дросселировать глубже?

Собираются ли они проделать тот же трюк с парящим ударом, что и на первом этапе, только на гораздо более коротком временном интервале?

Собираются ли они добавить 2 или 3 Kestrel рядом с Merlin на втором этапе и мягко приземлиться на них?

Парашюты? Подушки безопасности? Действительно большие пого-стики?

Это последнее предложение напоминает мне о некоторых моих посадочных модулях Minmus в KSP...

Ответы (3)

Старое/исходное предложение для повторного использования второго этапа

Старое/исходное предложение для повторного использования второго этапа

Повторное использование второго этапа для Falcon 9 было запланированной функцией, поддержка которой была прекращена. В этом старом рендере (показывает Falcon 9v1.0 с квадратным блоком двигателя) вы можете увидеть план повторного использования, очень похожий на то, что вы описали. Сопло второй ступени убиралось в конструкцию бака, выдвигались маленькие ноги, а двигатели меньшего размера (пустельга, драко?) выполняли фактическую посадку.

Однако повторное использование второго этапа затруднено. Первая ступень — это массивный зверь, который выполняет большую часть тяжелой работы на орбите. Однако вторая ступень обеспечивает большую часть скорости. Как только вторая ступень выведет Dragon на орбиту, ему потребуется достаточно топлива, чтобы уйти с орбиты/пересечь атмосферу, а затем использовать тяжелый теплозащитный экран, чтобы снизить его скорость при входе в атмосферу. Все это добавляет веса.

Из-за характера ступеней и уравнения ракеты примерно каждые 4 фунта собственного веса на первой ступени отнимают 1 фунт полезной нагрузки. На втором этапе это конвертация 1:1. Весь дополнительный вес для повторного использования (тепловой экран, опоры, дополнительное топливо, механизмы для втягивания сопла) вычитается из общей массы полезной нагрузки.

У SpaceX уже есть неэффективная верхняя ступень по сравнению с большинством провайдеров запуска. Использование Kerolox на обеих ступенях упрощает конструкцию и резервуар, но означает, что Isp второй ступени намного хуже, чем криогенная водородная ступень. Почему же SpaceX передумала? Илон Маск объяснил это на мероприятии MIT Aero/Astro Centennial . На вопрос о повторном использовании второго этапа

Транспортные средства следующего поколения после архитектуры Falcon будут рассчитаны на полное повторное использование. Я не ожидаю, что у Falcon 9 будет многоразовая верхняя ступень, просто потому, что с системой на основе керосина удельный импульс недостаточно высок для этого, и многие миссии, которые мы выполняем для коммерческих спутников, развертывание - это геостационарные миссии. Итак, мы действительно заходим очень далеко. Это высокая дельта-скоростьмиссии, так что попытаться вернуть что-то из этого действительно сложно. Но со следующим поколением транспортных средств, которое будет представлять собой систему с переохлаждением метана/кислорода, в которой топливо охлаждается почти до температуры замерзания для увеличения плотности, мы определенно могли бы обеспечить полное повторное использование — и эта система предназначена для быть полностью многоразовой транспортной системой Марса. Так что не только на низкую околоземную орбиту, но и на Марс и обратно, с полной многоразовостью. [В течение 3 лет?] Ха. Я оптимист, но я думаю, что мы можем ожидать несколько испытательных полетов в ближайшие пять-шесть лет. Но мы говорим о более крупном транспортном средстве, и мы также собираемся перейти на новое поколение — двигатель с более жестким циклом, который представляет собой полнопотоковое ступенчатое сгорание. То, что у нас есть прямо сейчас, — это двигатель с открытым циклом. Прямо сейчас,

Falcon 9 не сможет этого сделать, но BFR/MCT сможет.

Falcon 9 не сможет этого сделать, но BFR/MCT сможет.

Может ли разгонный блок F9 найти второе применение в космосе? Разгонные блоки (с некоторыми дополнениями, я полагаю) Чанъэ 2 и 5 отправились к точкам Лагранжа и вокруг Луны и мимо астероида после выполнения основной миссии. Или он не рассчитан на такой срок службы и гибкость, а что интересного можно было бы сделать из ГЕО?
Отличный ответ. Похоже, что страница F9 Википедии сильно отстает от новостей.
@localFluff не обошлось без обширных модификаций. Вторая ступень ограничена батареей, ее мощности достаточно, чтобы довести ее до впрыска GTO, прежде чем она умрет. SpaceX может добавить развертываемые солнечные панели или дополнительные батареи, но это увеличивает вес. Кроме того, поскольку 2-й этап - это Kerolox, от большинства профилей миссий осталось не так много дельта-v. Вместо этого лучше иметь 3-ю ступень как часть полезной нагрузки.
На самом деле вывести что-то с орбиты с низким перицентром, особенно с высоким апоцентром, очень легко и требует очень мало топлива. Теперь заставить его пережить арендную плату... это настоящий вызов.
Я думаю, что вы не принимаете во внимание SF. Замечание Мэя, но вы также не принимаете во внимание, что двигатели Falcon 9 должны быть заменены / модернизированы до варианта D, что дает им ... Я думаю, что сроков было ... более чем достаточно, чтобы сделать это. Хотя вы правы в отношении фазы подъема, вы не принимаете во внимание «стоимость вещей», ЕСЛИ у вас есть топливо для сверхзвукового ретро-ожога, тогда вам НЕ нужно выполнять высокоскоростной спуск через атмосферу. Я могу замедлить скорость до... приемлемого уровня.

Одна возможная вещь, которая может помочь, - это переключиться на металокс на второй ступени, чтобы получить дополнительную производительность, чтобы заплатить за решетчатые ребра и теплозащитный экран. Малогабаритный двигатель Raptor, который они испытали еще в сентябре 2016 года, имеет тягу 1 МН, что аналогично форсированной тяге вакуумного Merlin 1D. Двигатель также имеет аналогичные размеры.

Размеры второй ступени не могут сильно измениться, но более низкая плотность метана, чем у керосина, несколько компенсируется более высоким отношением O/F и высокой плотностью жидкого кислорода.

Знаем ли мы, какое соотношение использует субшкала Raptor? Я не могу представить, что это была бы победа без растяжки сцены.
Согласно википедии это 3.8. Выкапывая это число, я наткнулся на этот пост на Reddit , который делает некоторые математические выводы, чтобы предположить, что при том же объеме второй ступени металокс работает с керолоксом для более легких полезных нагрузок. Растяжка улучшит ситуацию, но да, Falcon 9 уже слишком длинный.
Хорошая находка! Я удивлен таким результатом.

После того, как они серьезно приступили к запуску, SpaceX решила, что восстановление второй ступени будет слишком сложным, и при этом поддерживать полезную полезную нагрузку.

Маск недавно размышлял в твиттере , что:

Действительно заманчиво перепроектировать верхнюю ступень для возвращения (у Falcon Heavy достаточно мощности), но, возможно, лучше сосредоточиться на ракете Mars.

Это указывает на то, что лучший ISP двигателя Raptor, разрабатываемый для миссий на Марс, может сделать это возможным.

Рассматривали ли вы варианты двигателей D, которые заменяют текущие двигатели, обеспечивают повышенные возможности «полезной нагрузки», которые могут быть переведены на топливо для замедления 2-й ступени?
Варианты D не принесли каких-либо преимуществ для повторного использования S2. Ограничивающим фактором является возрастающая грузоподъемность — резервирование большей массы для восстановления приведет к прямому сокращению возможности выхода на орбиту, и они потеряют высокооплачиваемых клиентов, уменьшив эту способность. Двигатели с более высокой тягой не улучшили ситуацию — расширение бака или замена топлива могут дать возможность, но они не идут по этому пути.
Как SpaceX планирует добиться повторного использования *второй* ступени Falcon 9?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v