Почему бы не посадить космический корабль SpaceX как самолет?

Я понимаю причину, по которой Starship должен приземляться вертикально. Он не требует шасси, и ожидается, что разворот будет намного быстрее. Но я начинаю сомневаться в этой логике.

Я думаю, что цена/выгода вертикальной посадки приемлема для беспилотных транспортных средств, таких как ракета-носитель. Большую часть времени он приземлится просто отлично, и если он время от времени дает кратеры, это нормально. Но для пилотируемого автомобиля это слишком рискованно. Если эти двигатели не загорятся вовремя, вы и более 100 ваших попутчиков мертвы.

Время оборота намного лучше? Основное отличие в том, что он горизонтальный, верно? Конечно, SpaceX сможет найти быстрый и простой способ поднять Starship вертикально и подготовить его к следующему запуску.

Действительно ли это экономит вес? Насколько больше или меньше вес шасси по сравнению с напорными баками? Не могли бы вы убрать один или два двигателя, если они вам не нужны для посадки? Сколько можно сэкономить на топливе?

Вы предлагаете добавить к нему крылья?
Подозреваю, что масса крыльев и шасси просто неуправляема. Я предполагаю, что пилотируемые десанты будут нести значительно больший запас топлива, чем беспилотные.
Так что, в основном, космический шаттл?
Да, по сути, космический челнок на ракете-носителе.
Я думаю, вы только что ответили на свой вопрос.
Ваш вопрос основан на ложном предположении, что горизонтальное приземление каким-то образом было бы значительно безопаснее. Пример космического корабля показывает, что это совсем не так. Без достаточной мощности двигателя и топлива для ухода на второй круг и мощных рулей для корректировки нештатных ситуаций (сдвиг ветра, асимметричная тяга из-за отказа двигателя, проблемы с управлением энергопотреблением) у вас есть только один шанс на посадку, и если что-то пойдет не так, снова кратер.
Насколько я знаю, Starship (в отличие от Falcon 9) может дросселировать двигатели достаточно сильно, чтобы зависнуть. Таким образом, для дополнительной безопасности при пилотируемых посадках можно было зажечь несколько двигателей для посадки и / или начать их зажигание достаточно рано, чтобы запустить еще один двигатель, если первый не запустится.
Потому что на Маска сильно повлияли обложки научно-фантастических книг 50-х и 60-х?
@TooTea Как космический челнок с его идеальными показателями безопасности при посадке показывает, что горизонтальная посадка не безопаснее вертикальной?
@RussellBorogove Экипаж Колумбии может не согласиться с заявлением об идеальной безопасности при посадке.
@nohillside Они не пытались приземлиться.
Я никогда не говорил, что это идеально, я сказал, что думаю, что риск намного меньше. Были и другие не связанные с дизайном проблемы, которые привели к катастрофе в Колумбии. Я не думаю, что кто-то может честно сказать, что планировать на взлетно-посадочную полосу и полагаться на набор посадочных опор для работы более рискованно или отдаленно наравне с использованием нескольких ракетных двигателей, чтобы зажечь точно в нужное время, и в то же время также полагаться на кадрах навигационных датчиков и аппаратного обеспечения управления ориентацией, чтобы держать все это в вертикальном положении. Пожалуйста!
Я инженер, но, конечно же, не обладаю знаниями, связанными с космическими кораблями, включая посадку. Тем не менее, я должен сказать, что я невероятно удивлен, узнав об этих повторяющихся неудачах. Я ожидал, что вертикальная посадка космического корабля будет гораздо менее сложной задачей, чем кажется. И я нахожу дискуссию, связанную с невертикальной посадкой, совершенно неуместной по причинам, которые некоторые из них предложили выше (включая вероятность обнаружения подходящей ровной местности в неземных пунктах назначения). Я до сих пор не совсем понимаю, почему меры, включая перемещение балласта внутри корабля,
посадочное оперение относительно тяжелое по сравнению с посадочным наконечником не обсуждается. Я ожидаю, что менее плотная атмосфера пойдет на пользу этому подходу. Возможно, они уже рассмотрены, но я был бы признателен, если бы кто-то просветил любопытных инженеров, таких как я.
@BlainePeterson, это интересная точка зрения, и если вы заинтересованы в том, чтобы сформулировать ее как новый вопрос, ее можно было бы изучить подробнее. Stack Exchange довольно жестко относится к целям сообщений и комментариев с вопросами и ответами, поэтому заголовок был «Технические проблемы для ракет, подобных Starship, использующих смещение балласта, чтобы гарантировать, что посадочное хвостовое оперение будет относительно тяжелым по сравнению с наконечником при посадке?» Мы используем «Технические проблемы для X?» формат вместо «Почему они не X?» или «Может ли Х работать?» формате, потому что он, скорее всего, будет основан на фактах, а не на мнениях.
Крылья добавить ≈ 10% веса, они непригодны для использования на Луне и почти непригодны для использования на Марсе. Более эффективно аэродинамическое торможение без крыльев, а затем пропульсивная вертикальная посадка. Самолеты садятся горизонтально из-за слабости двигателей.
Интересно, как вы представляете себе первую посадку на Марсе до того, как будет построена какая-либо инфраструктура вроде взлетно-посадочных полос?

Ответы (8)

Вы в основном описываете космический шаттл .

Спейс Шаттл даже не был хорошим решением, когда его проектировали. У него была ровно одна цель - походить на самолет для имиджа ВВС. Что касается инженерии, Big Dumb Booster уже хорошо зарекомендовал себя, и это то, что использовалось во всех других космических решениях. Но чтобы получить финансирование ВВС, он должен был выглядеть как самолет. В то время оправданием была возможность повторного использования, но даже в то время уровень повторного использования и стоимость восстановления делали это сомнительным, и это никогда не было проблемой, которую можно было бы решить, потому что конструкция просто не позволяла это сделать.

Ваша первая проблема — повторный вход. Крылья очень плохо подходят для этого, потому что они имеют именно ту форму, которая вам не нужна, особенно вокруг корня крыла. Передняя кромка крыла также является очень уязвимым местом. Крылообразные теплозащитные экраны в принципе не очень хороши, и Колумбия продемонстрировала, что происходит, когда вам не везет. Сколько Колумбий может выдержать ваша программа крылатого космического корабля?

Ваша вторая проблема заключается в посадке. Спейс шаттл на самом деле был планером, а каждый пилот планера может сказать вам, что приземление — это стресс. Если пилот самолета с двигателем ошибается при заходе на посадку, он может поднять двигатели и снова развернуться. Если пилот планера делает неправильный заход на посадку, что-то сломается, и это что-то часто оказывается пассажиром(ами). Вторых шансов не бывает. Таким образом, вместо высокоавтоматизированной системы двигателей и сложной системы управления вы заменили ее пилотом, который может и будет облажаться, без резервных копий или какого-либо способа исправить ситуацию. Сладкий.

Ах, скажете вы, но планеры не так часто разбиваются. Во-первых, вы, вероятно, не услышите об этом в новостях, если кто-то не умрет. И, во-вторых, планеры имеют коэффициент планирования около 30:1, невероятно маневренны и приземляются со скоростью около 40 миль в час (быстро, но не слишком много) или медленнее, если они могут приземлиться против встречного ветра. Шаттл имел аэродинамическое качество 4,5:1, было известно, что им трудно управлять (потому что крыло, которое образует даже частично приемлемый теплозащитный экран, не является хорошим крылом для полета), и он приземлялся со скоростью более 320 км/ч. Для справки, качество планирования 4,5:1 значительно хуже, чем у любого дельтаплана — фактически это примерно то же качество планирования, что и у парашютного парашюта — и эта скорость приземления выше, чем F-16 приземляется. Это не самое приятное место, и это свидетельство безумных навыков пилотов (и здоровая доза удачи!

В-третьих, вам нужно куда-то приземлиться. Большим преимуществом вертикальной посадки является то, что вам нужен только плоский участок земли размером с ваши посадочные площадки. Шаттлу для посадки требовалась взлетно-посадочная полоса длиной 3 мили. Это 3 мили идеально ровной поверхности, при этом шаттл изначально катится со скоростью 200 миль в час, когда приземляется. Удачи с этим на Марсе.

И в-четвертых, вам нужна атмосфера. У Земли достаточно плотная атмосфера, поэтому крылья работают довольно хорошо. Марсианская атмосфера намного тоньше, и при проектировании самолетов на Марсе (на следующей неделе должен приземлиться вертолет !) необходимо уделить этому серьезное внимание. Коэффициенты планирования и скорости были бы соответственно хуже — как будто они уже недостаточно плохи для шаттла на Земле. А Луна, конечно, вообще не имеет атмосферы.

Если тебе очень-очень хочется крыло, то можешь вернуться к Рогалло.вместо этого. При входе в атмосферу используется обычный теплозащитный экран, атмосферное торможение с тормозными желобами снижает скорость, а затем разворачивается гибкое крыло. Однако с момента изобретения парафойла с набегающим потоком воздуха, вероятно, более практично использовать его вместо этого. Он может выглядеть не так круто, но вы все равно можете летать на нем как обычно — он совершенно практичен, достаточно надежен и прост в управлении. Он даже приземляется медленно. С другой стороны, у вас есть дополнительная вещь для развертывания, и любой парашютист может сказать вам, что раскрытие парашюта не удается, даже до того, как вы добавите дополнительные способы, которые могут привести к отказу чего-либо, когда вам нужно раскрыть это механически с космического корабля. SpaceX рассматривала это, но их оценка заключалась в том, что запуск ракет (которые, как известно, работают,

TLDR: Это вовсе не из-за веса шасси!

Это фактически неверно "У него была ровно одна цель - быть похожим на самолет для имиджа ВВС". -1 Также фактически неверно, что Х-37 "не предназначен для посадки на крыльях". ВТФ? В этом абзаце вы скатываетесь в сумасшедшую страну.
X-37, кажется, приземляется с помощью крыльев на youtube.com/watch?v=IoailiPGTZQ .
У X-37 есть колеса на убирающемся шасси, и его несколько раз фотографировали припаркованным на взлетно-посадочной полосе после миссий. Я думаю, что он действительно приземляется, как самолет.
«Вся программа до сих пор очень секретна» — хотя это правда, и вокруг программы X-37 много загадок, есть одна вещь, которой она не является: невидимой. Вы можете буквально своими глазами наблюдать, как он приземляется как планер, по крайней мере, если вы живете на восточном побережье Флориды или в Калифорнии, в зависимости от того, приземлится ли он на посадочной площадке шаттла Космического центра Кеннеди или на базе ВВС Ванденберг.
Моя беда - я сильно отстаю от X-37, и последний абзац совершенно неверен. Я удалю это.
Планеры не приземляются на скорости 60-70 миль в час, это км/ч. Большая разница. Большинство планеров имеют оптимальную скорость около 100 км/ч, а скорость сваливания значительно ниже 70 км/ч.
@vsz Признаюсь, я пилот дельтаплана, а не планера, поэтому я поискал. По данным Google, скорость сваливания обычно составляет 57 узлов. Мне казалось, что они высоки, но мне всегда казалось, что они приближаются ко мне быстро. :) Дальнейший поиск говорит, что алгоритм Google потерпел неудачу с этим. Спасибо за исправление - я обновлю ответ.
"Качество планирования и скорость были бы соответственно хуже" - Скорость планирования да, качество планирования нет. Качество планирования равно отношению подъемной силы к сопротивлению, а подъемная сила и сопротивление пропорциональны плотности атмосферы в одном и том же отношении, поэтому качество планирования фактически оказывается нечувствительным к плотности атмосферы.
Цель крыльев шаттла заключалась не в том, чтобы выглядеть как самолет, а в том, чтобы дать шаттлу достаточную дальность полета, чтобы взлететь с Ванденберга на полярную орбиту, сделать что-то гнусное и приземлиться обратно в Ванденберге, завершив одну орбиту.
«Итак, вместо высокоавтоматизированной системы двигателей и сложных систем управления вы заменили это пилотом, который может и будет облажаться, без резервных копий или какого-либо способа исправить ситуацию. Мило». - Буран продемонстрировал полностью автономную посадку в 1988 году, и X-37, и Dream Chaser продемонстрировали несколько полностью автономных посадок каждый, X-37 даже в боевых миссиях, а не только в тестах и ​​демонстрациях.
Причина того, что крыло «плохо летает», не имеет ничего общего с наличием у него теплозащитного экрана. В основном потому, что крыло должно работать (читай: выживать) в сверх/гиперзвуковом полете. Даже «Конкорд» ни в коем случае не был эффективным планером.

На Марсе не хватает воздуха. Вам понадобятся абсолютно огромные крылья. На Луне вообще нет воздуха .

Конечно, SpaceX сможет найти быстрый и простой способ поднять Starship вертикально и подготовить его к следующему запуску.

Starship конструктивно не способен находиться в горизонтальном положении. Он просто сомнется и/или сломается пополам.

Не могли бы вы убрать один или два двигателя, если они вам не нужны для посадки?

Учитывая, что для посадки нужен только один двигатель, а для запуска — шесть, очевидно, что нет.

SpaceX уже планирует иметь различные варианты Starship, например, лунный и дальний космос. Я рассматриваю только вариант, при котором нужно будет приземлиться на землю. Я думаю, им понадобятся версии для Земли, Марса, Луны и дальнего космоса.
Тот, который взлетит с Марса и приземлится на Землю, будет построен на Земле. Поэтому должна быть модель, которая может приземлиться и на Марс, и на Землю.
@loweryjk: ни один из этих вариантов не требует значительных изменений. Версия «Земля-земля» заменит вакуумные «Рапторы» на «Рапторы» уровня моря — все, что нужно, — это другая тяговая шайба. Вариант для дальнего космоса удалит оборудование для восстановления (закрылки и посадочные опоры). В варианте Moonship будут удалены закрылки корпуса и добавлены посадочные двигатели в носовом обтекателе - носовые обтекатели в любом случае спроектированы иначе. Предлагаемая вами конструкция требует совершенно другого корпуса, потому что Starship конструктивно не способен находиться в горизонтальной ориентации. Ему нужно крыло, которое, вероятно,…
… нужен лонжерон крыла, который проходит через весь корпус, но корпус — это баки, а баки — это корпус, так что это означает, что лонжерон крыла должен проходить через баки, или вам нужно полностью изменить конструкцию баков. Аэродинамика совсем другая. Вы должны где-то разместить шасси, вы не можете поместить его внутрь корпуса, потому что это бак. Одно только добавленное сопротивление сделает невозможным выход на орбиту, и я даже не говорю об огромном увеличении веса.
Этот. Нет выхода на Марс. Все, что происходит со Starship до Марса, — это прелюдия. Starship — это марсианское транспортное средство по своей сути.
«Звездолет конструктивно не способен находиться в горизонтальном положении. Он просто сомнется и/или сломается пополам». - А как насчет маневра животом? Или вы говорите о повышенных нагрузках при посадке с шасси?
@WayneConrad маневр на животе постоянно поддерживается давлением воздуха, распределенным по всей его поверхности и плавникам. Поддерживая весь свой вес на шасси (и, что более важно, выдерживая ударные и рулевые нагрузки), потребовалась бы совершенно другая внутренняя структура, гораздо более сложная и тяжелая конструкция. А еще есть крылья, необходимые для планирующей посадки, которые также создают большую нагрузку на их анкерные конструкции, чем нынешние короткие закрылки.

В дополнение к другим очень правильным ответам, на данный момент мы видим, как Starship летит в одиночку, и можем легко визуализировать добавление крыльев, но в орбитальном режиме он будет установлен на сверхтяжелом ускорителе. Добавление больших крыльев к верхней части ракеты делает ее очень неустойчивой, подобно тому, как дротик летит назад , и его необходимо складывать под странным углом, чтобы обнулить подъемную силу крыла во время подъема.

Космические челноки и «Буран» решили эти проблемы, разместив крылатый элемент сбоку от ракеты, чтобы центр подъемной силы и лобового сопротивления оставался близко к центру масс. X-37B запускается внутри обтекателя. Оба этих решения будут иметь существенные побочные эффекты для предполагаемой конструкции звездолета, если они будут включены.

Теоретически можно было бы использовать очень быстродействующую систему управления для управления динамической нестабильностью, но это начинает выглядеть очень похоже на проблемы, решаемые при выполнении посадки с двигателем в любом случае.

Важно отметить, что «большие крылья» должны были соответствовать военным требованиям, не нужным для коммерческого шаттла, а именно способности планировать на большом расстоянии от плоскости своей орбиты. «Современная» конфигурация без этого требования (и избегая большого грузового отсека внутри шаттла) потребовала бы лишь немного большего «крыла», чем уже есть у Starship. Старые орбитальные аппараты «Шаттл» способны возвращать с орбиты большую полезную нагрузку.
Еще примеры: космический корабль Dreamchaser должен запускаться в обтекателе аналогично X-37B. Аэродинамические проблемы являются серьезной проблемой при создании версии для перевозки людей, поскольку прерывание полета проблематично, если автомобиль закрыт обтекателем. Старый DynaSoar мог бы летать без обтекателя, но потребовалось добавить огромные плавники к Титану, на котором он стартовал.
Вот почему ВВС закрывают свой шаттл кожухом (который также защищает его во время подъема). Опять же, (более примитивный) DynaSoar был разработан для использования в военных целях . X-15 показал, что крылья меньшего размера жизнеспособны и безопасны, если размер посадочной площадки достаточно велик . Современный компьютер и точность GPS делают скольжение «одним выстрелом» вполне безопасным, при условии, что погода благоприятствует.

Крылья тяжелые. Удивительно так.

Как указал Йорг, на Луне нет воздуха, а атмосфера Марса довольно тонкая.

На самом деле полезная нагрузка Starships на Луну на удивление мала, потому что он должен нести все топливо, чтобы приземлиться исключительно на реактивной тяге.

Обман с использованием сопротивления воздуха важен.

Они планируют создать лунный вариант без крыльев и способности приземляться на землю.
@loweryjk Да, но у него нет крыльев. Имеет закрылки. :) И вы имеете в виду также отсутствие теплозащитного экрана. Согласованный.

На Земле нужно только построить подходящую взлетно-посадочную полосу. Взгляните на концепцию Fly Back Booster из 1990-х годов. Планирование может снизить скорость снижения даже лучше, чем прыжки с парашютом, а на высоких посадочных скоростях не требуется большого количества крыльев.

Можно только представить путешественника во времени, возвращающегося в 1970-е и встречающего фон Брауна.

Возможно, у нас есть некоторое представление о том, как NASA SLS будет выглядеть сегодня.

Но можно также ожидать, что SpaceX продвинется вперед в своей новаторской работе, и в эпоху передовых компьютеров, реагирующих за миллисекунды, «HoverSlam» все же может достичь приемлемого уровня безопасности для пассажирских перевозок.

Последний абзац этого ответа затрагивает важный момент, которого я не вижу в других ответах: за эти годы было сделано много сумасшедших и опасных технологий. Например, литий-ионные батареи в одном небольшом проколе или перегреве превращаются в ад, но большинство людей держат их в кармане.
@BThompson: Действительно. Илон Маск сказал, что хочет совершить сотни успешных полетов без экипажа, прежде чем посадить на него людей. Это на порядок больше испытаний не только любого другого космического корабля в истории, но даже самолетов и автомобилей. Самый первый случай, когда орбитальный корабль космического челнока был соединен с внешним баком и SRB и запущен, был первым действующим полетом с экипажем. У него не было ни одного испытательного или демонстрационного полета всего комплекса, только несколько планерных испытаний Орбитера.
Если они доберутся до этих сотен рейсов, то это будет улажено. Но я думаю, что есть большая вероятность никогда не достичь этой цели.

Лучше задать вопрос: почему самолеты не садятся вертикально, а вместо этого им требуется длинная взлетно-посадочная полоса? Ответ заключается в том, что двигателю (или, точнее, ступени пропеллера или вентилятора, которую он приводит в движение) не хватает тяги, достаточной для преодоления силы тяжести, и поэтому самолет полагается на воздух, проходящий со скоростью под его (большими) крыльями для поддержания подъемной силы.

Ракеты имеют огромную тягу, так что отсутствие тяги двигателя абсолютно не проблема. Девять двигателей Falcon 9 обладают достаточной тягой, чтобы поднять ракету с полной загрузкой топлива со стартовой площадки и разогнать ее до тысячи километров в секунду. Когда он приземляется, он использует только один двигатель, и даже когда он полностью выключен, он создает такую ​​большую тягу, что ракета-носитель не может зависнуть. Вместо этого двигатель должен тщательно контролироваться, чтобы обеспечить его замедление до 0 м/с, как только он достигает земли, а затем двигатель выключается в нужный момент. Я понимаю, что двигатели на Starship смогут гасить газ достаточно низко, чтобы иметь возможность зависать (действительно, это уже было продемонстрировано с первоначальным прототипом Starhopper).

Используя уравнение ракеты , мы можем рассчитать штраф за вес при посадке с двигателем. Преобразовав формулу, как показано ниже, мы получим следующее

г в = требуемое изменение скорости (предположим, что закрылки замедляют скорость падения до 50 м/с, 180 км/ч, 113 миль в час)

в е = скорость истечения (3200 м/с согласно статье Raptor в Википедии)

м о м ф = соотношение масс до и после сжигания

м о м ф "=" е г в / в е "=" е 50 / 3200 "=" 1,016

Это означает, что если закрылки замедляют Starship до скорости падения 50 м/с, штраф за вес посадки топлива для снижения скорости с 50 м/с до 0 м/с составляет 1,6% от общего веса сухого корабля.

Сделать закрылки достаточно большими, чтобы они действовали как настоящие крылья, чтобы обеспечить безопасную посадку, было бы значительно большим штрафом за вес.

Следует помнить, что напорные баки больше, чем требуется только для приземления, так как они также будут содержать топливо для повторного входа в атмосферу, что требует более высокой г в (изменение скорости).

Это не самое приятное место, и это свидетельствует о безумных навыках пилотов (и здоровой дозе удачи! ), что никто из них не потерялся при посадке.

Тот факт, что при посадке «Шаттла» не произошло никаких происшествий, — это дань уважения гениальности инженеров-конструкторов, мастерству и подготовке пилотов.

Удача не имела к этому никакого отношения.

Но для пилотируемого автомобиля это слишком рискованно. Если эти двигатели не загорятся вовремя, вы и более 100 ваших попутчиков мертвы.

Есть много способов убить более 100 пассажиров при горизонтальной посадке, как в самолете. Правильный ответ — потратить время и усилия на то, чтобы сделать систему безопасной и надежной, что произойдет после того, как они наберут окончательный дизайн. Тестовые полеты, происходящие в Бока-Чика прямо сейчас, просто выясняют, как заставить систему работать — как только они это выяснили, они могут потратить время на доработку и пуленепробиваемость.

Мы сделали Frankenrocket с Shuttle и извлекли из этого несколько болезненных уроков. Нам не нужно учить их снова.

Почему бы не посадить космический корабль SpaceX как самолет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v