Могут ли заправленные верхние ступени вернуться обратно на ретродвигателях?

Предположим, нам удалось добыть воду на Луне и вернуть ее на НОО. Будет ли сложно спроектировать верхнюю ступень, которая могла бы заправляться на этом складе и использовать это топливо для возвращения на поверхность и повторного использования?

Я читал об Усовершенствованной Криогенной Эволюционной Стадии ULA , и в статье Defense News Тони Бруно сказал:

«У нас была идея, а зачем вам возвращать его на Землю только для того, чтобы использовать повторно?» Бруно сказал: «Почему бы нам просто не оставить его в космосе?»

...Да, но... почему бы не вернуть его на Землю и не использовать повторно?

Вопрос только в том, как иметь там достаточно топлива, чтобы разумно было предложить заправить кучу специализированных верхних ступеней топливом, достаточным для пропульсивного торможения и приземления? Есть ли другие осложнения?

Возможно, мне следует упомянуть, что я думаю об этом с точки зрения долгосрочного развития Луны. Джкавалик упомянул в комментариях, что большая сложность заключается в том, что вещи запускаются на множество разных орбит, и поэтому разгонный блок редко находится в зоне действия топливного склада (хотя они упомянули об изменении архитектуры, когда полезные нагрузки передаются космическим буксирам, которые завершение процесса вывода на орбиту в депо может обойти это). В конкретном случае, о котором я думаю, полезная нагрузка предназначена для одной промежуточной площадки, прежде чем отправиться на Луну, возможно, на космическую станцию.

Но как войти в разгонный блок без необходимого теплозащитного экрана? Некоторое количество топлива необходимо, чтобы инициировать вход в атмосферу с НОО, но без теплозащитного экрана ступень будет уничтожена. Если бы торможение должно было осуществляться только за счет топлива, а не за счет сопротивления атмосферы, вам потребовалось бы больше топлива, которое поместилось бы в верхней ступени. Первая ступень была необходима, чтобы вторая ступень могла выйти на орбиту. Чтобы перевести подъем в спуск без теплозащитного экрана, первая ступень потребуется для нижней части спуска. Только представьте, что вы попытаетесь вернуть сцену без атмосферы.
@Uwe Для этого необходимо разработать верхнюю ступень. У него должны быть топливные баки, которые заполняются только на обратном пути, поэтому топлива влезает достаточно.
Дельта-v заполненного разгонного блока без полезной нагрузки будет немного выше и может позволить нейтрализовать большую часть орбитальной скорости.
Проблема, которую я вижу, заключается в том, что полезные нагрузки отправляются на множество разных орбит, поэтому этап, скорее всего, закончится очень далеко от любого склада, если только их не будет слишком много. Но, возможно, весь процесс может измениться: запуск на несколько указанных НОО с подготовленным депо и буксиром. Перенесите полезную нагрузку на орбитальный буксир, заправьте топливом и приземлитесь.
@jkavalik Это имеет смысл. Кроме того, в моем случае я думаю о развитии Луны, и поэтому я думаю о реальной космической станции на НОО, которая поддерживает высокую скорость полета, необходимую для значительного развития на Луне. Так что, если бы эти верхние ступени доходили только до этой станции, полетов все равно было бы достаточно, чтобы оправдать это. Может быть, я должен отредактировать это в...
Если есть дополнительные топливные баки, которые заполняются только на обратном пути, ракетные двигатели верхней ступени могут оказаться слишком слабыми для всего этого топлива и массы. Много орбитальной скорости должно быть уничтожено, прежде чем начнется вход в более плотные части атмосферы. Если ступень слишком быстра для более плотной атмосферы, она будет уничтожена теплом при входе в атмосферу. Масса дополнительных пустых баков уменьшит полезную нагрузку разгонного блока на столько же. Можно ли совершить обратный путь только с одной стадией, когда для подъема необходимо две ступени? Возможная дельта v ограничена.
@Uwe Propulsive reentry изменяет динамику повторного входа при нагреве, перемещая ударный слой дальше от транспортного средства. Я не знаю, в какой степени, но это соображение. Кроме того, как указал jkavalik, двигатели созданы для того, чтобы доводить массу полезной нагрузки до орбитальной скорости, поэтому двигатели рассчитаны примерно на 6 км/с дельта v для этой массы, прежде чем достичь той более плотной атмосферы, которую вы упомянули.
@kimholder Серьезно ли инженеры-двигатели всерьез предложили реактивный возврат с орбиты для атмосферы Земли? Не могли бы вы дать ссылку, где мы можем прочитать об этом подробнее? Я думаю, что фактический вопрос в вашем вопросе действительно заключается в том, «Может ли реактивный вход в атмосферу избежать использования тепловых экранов, возможных в атмосфере Земли», а не о добыче воды на Луне, поэтому заголовок должен содержать «двигательный вход в атмосферу» и «атмосфера Земли». явно вместо того, чтобы ждать до пятого абзаца, чтобы явно упомянуть об этом.
@uhoh Расширенная ударная волна, которая возникает при реактивном входе в атмосферу, была исследована в отношении Falcon 9 с учетом того, как это можно применить к реактивному входу на Марс. Кроме того, не то, что я знаю. Но речь не идет об отказе от использования теплозащитных экранов. Речь идет о том, какие сложности вообще могут возникнуть при этом. Поэтому я не хочу вдаваться в подробности. Пятый абзац действительно является дополнительной информацией, поэтому приложение известно.
@kimholder Хорошо, вы не возражаете, если я задам отдельный вопрос; «Рассматривалось ли когда-либо серьезно использование двигательной установки во время входа в атмосферу Земли с орбиты или решались ли вопросы?» Я думаю, что это отдельный вопрос, потому что я спрашиваю о предшествующих инженерных работах, а вы спрашиваете, «каковы трудности с использованием лунной воды для возвращения на Землю».
@uhoh, у тебя есть особый вопрос, который ты любишь задавать, а у меня другой. Я задаю общий вопрос, и в этом нет ничего плохого. Этот сайт предназначен не только для людей, которым нужны очень конкретные детали. Не обязательно иметь знания об освоении космоса или проводить детальное исследование, прежде чем задавать вопрос. Я не чувствую необходимости защищаться, не будучи знаком с проблемами нагрева реактивного входа в атмосферу. Я также не думаю, что неуместно спрашивать о чем-то, что потребует серьезных исследований и разработок. Я пытаюсь узнать о проблемах.
@uhoh также «каковы будут трудности с использованием лунной воды для возвращения на Землю» - это совсем другой вопрос, который будет закрыт как неясный и слишком широкий. Это совсем другое. Я не понимаю, почему вы хотите изобразить мои вопросы как нечто, чем они не являются.
@kimholder давайте ограничим обсуждение самим вопросом. Я рекомендую вам улучшить вопрос, сосредоточив внимание на роли двигателя при входе в атмосферу Земли. Имеются ли какие-либо преимущества при повторном входе в атмосферу Земли, если пустой космический корабль понизит свой апоапсис? Может ли большее количество топлива облегчить вход второй ступени с орбитальной скорости? Стратегии заправки для LOX/LH2 — это отдельный вопрос. Задавая их по отдельности, люди с разным опытом могут обращаться к каждой части, даже если у них нет ответа на другую.
@uhoh, мои комментарии выше актуальны. Я объясняю, почему я не собираюсь принимать вашу рекомендацию, и почему несправедливо характеризовать мой вопрос так, как это сделали вы. Вы можете задать сопутствующие вопросы. То, что мне нужно знать для моей работы, хорошо выражено в вопросе в его нынешнем виде. Он также гораздо более доступен для людей с меньшим опытом.
Защитит ли сцену от жары расширенная ударная волна, возникающая при реактивном входе в атмосферу? Может быть, горячие выхлопные газы ракетного двигателя изолируют ступень от атмосферы. Но тепло при входе в атмосферу вызвано не трением, а сжатием. Если горячий газ от двигателя сжать, он будет еще горячее, чем предыдущий холодный воздух верхних слоев атмосферы.
Не верю, что и газы выхлопного шлейфа тоже не сжимались бы. Между сжатым газом атмосферы и газом выхлопного шлейфа нет сплошной стены. Если давление газа дальше от ступени увеличивается, давление газа ближе к ступени также увеличивается.
@Uwe На самом деле, я удалил свои предыдущие ответы, так как, хотя более крупный носовой удар и температура материала в носовом ударе являются фактором, в ответах подчеркивается, что спуск с орбиты может быть выполнен, чтобы убрать большую часть скорости вперед, в этом случае скорость и, следовательно, нагрев при прохождении через атмосферу намного ниже. И у ступени нет формы, создающей толчок в носовой части, который происходит только при работе двигателей. У меня есть тенденция пытаться отвечать на технические комментарии, когда, возможно, я не должен. Ваши комментарии лучше размещать под ответами.
Перекачка криогенного топлива в условиях невесомости для дозаправки непроста, а также затруднен запуск ракетного двигателя ступени без гравитации. Сцене потребуется гораздо больше емкости батареи, чтобы обеспечить электроэнергией обратный полет.

Ответы (2)

Это близко. Подставляя числа для верхней ступени Falcon 9, я получаю 11 300 м/с delta-v. Поскольку скорость 9000 м/с доставит вас на НОО, этого достаточно, чтобы вернуться вниз с чем-то еще. Однако верхняя ступень не имеет шасси. Поскольку у вас есть грузоподъемность 5000 кг (снижает дельта-v до 9111 м/с), вы можете его посадить. Однако вес опор и другого посадочного оборудования напрямую зависит от веса полезной нагрузки в соотношении 1:1.

Посадка будет кошмаром. Разгонный блок имеет только один двигатель, и он не дросселируется.

Глядя на некоторые цифры по Falcon 9, я обнаружил, что скорость приземления составляет 267 м/с, но это включает в себя 117 м/с потери гравитации. Тем не менее, верхняя ступень будет приземляться очень, очень горячей — если мы посчитаем максимальный вес полезной нагрузки в 5000 кг, двигатель все равно будет развивать скорость 103 м/с ^ 2 на изнурении. Фактическая скорость для убийства составляет всего 150 м/с. Цифра 1,5 секунды для горения, что добавляет еще 15 м/с потери силы тяжести, поэтому цифра 1,6 секунды для горения. Требуемая точность будет невероятной. Если двигатель запустится на 1 миллисекунду раньше, он остановится, находясь в воздухе на высоте 66 см над стартовой площадкой, и оставшуюся часть пути ракете придется падать. Если он загорится на 1 мс позже, он сильно ударитсильнее, мое нутро говорит то же самое, что падение с 7 метров, и уже достаточно поздно, я не хочу тратить время, чтобы подтвердить это. Обратите внимание, что двигатели не запускаются с точностью до 1 мс!

(Обратите внимание, что я использую конечную скорость первой ступени. Никто не заботится о конечной скорости второй ступени, поскольку она все равно не падает, поэтому число не может быть найдено. Я бы предположил, что оно немного ниже. Это изменит продолжительность приземления, но не изменит количество приземлений.)

Под рукой нет источника, но я верю, что M-Vac может дросселировать.
Дросселирование не является проблемой — MVac оптимизирован для работы в вакууме, и выхлоп будет значительно перерасширен при давлении, близком к уровню моря. Результатом будет нестабильность потока и, скорее всего, куча дымящегося металлолома на месте посадки.
Если бы его маневренность была несколько близка к маневренности первой ступени F9, то ступень могла бы инициировать вход в атмосферу в точке, которая привела бы ее, скажем, к испытательному полигону в Неваде, и она могла бы раскрыть парашюты для окончательного спуска. Будет ли этого достаточно?
Сцена будет разрушена при ударе о землю после финального спуска с парашютами. Все пилотируемые капсулы, приземлявшиеся на парашютах, после входа в атмосферу имели дополнительное оборудование для ограничения удара при ударе о землю. Было много парашютистов, которые сломали ногу при неудачном приземлении.
Что ж, даже в оригинальном видео SpaceX Reusable Launch System показана вторая ступень, использующая какую-то вторичную двигательную установку (полученную от Draco?) для окончательной посадки (но вместе с обращенным вперед теплозащитным экраном, переворотом в атмосфере и выдвижным соплом это наверное не очень реалистично) Добавление такой вторичной системы снова снизит массу на орбиту.
@jkavalik зачем нужно менять атмосферу? Ступень идет в двигателях вперед, а парашюты будут в дальнем конце.
@kimholder, это было о видео. Там теплозащитный экран находится спереди, и ступень сначала входит носом в зону повторного входа, но затем сначала приземляется двигатель. Так что приходится переключаться между этими кадрами.
Приземление с дополнительной полезной нагрузкой, вероятно, нетривиально увеличит конечную скорость, но это все равно будет проблемой.

Вы должны иметь в виду, что каждый килограмм, который вы добавляете для системы спасения на верхней ступени, лишает эквивалентный килограмм полезной нагрузки.

С заправленной ступенью, которая может сбросить большую часть 9000 м/с ΔV при спуске с орбиты, нам не нужен тепловой экран (или, по крайней мере, столь же прочный тепловой экран). Возможно, нам сойдет с рук что-то вроде надувного теплозащитного экрана, который тестирует НАСА.

Однако я не уверен насчет повторного входа в атмосферу с первым двигателем; конец сопла MVac немного толще банки из-под газировки (помните, что они смогли вручную обрезать его на четыре фута, используя пару ножниц по металлу для COTS-1), и я не уверен, что это не будет поврежден от толчков, поскольку атмосфера стала более плотной. Опять же, я не уверен, что повторный вход в атмосферу так сильно защитит его (я не аэрокосмический инженер, так что не стесняйтесь игнорировать это).

Вы не сможете использовать MVac для пропульсивной посадки — он оптимизирован для работы в вакууме и будет смехотворно нестабилен при давлении, близком к уровню моря. Для реальной посадки вам понадобится что-то вроде SuperDraco.

Прыжок с парашютом в сочетании с серьезными амортизирующими ногами и быстрым ретро-огнем в стиле «Союза» от Draco или SuperDraco может сработать, но это большая масса полезной нагрузки, которой можно пожертвовать. Вариант использования на орбите имеет гораздо больше смысла.

Вы по-прежнему грабите нетривиальное количество полезной нагрузки, чтобы заплатить за эти ноги, парашюты и двигатели.

Могут ли заправленные верхние ступени вернуться обратно на ретродвигателях?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v