Почему не разработаны многоразовые технологии запуска?

Массовая доля и ракетное уравнение Циолковского создают серьезные препятствия.

Mf, или отношение топлива к сухой массе, определяется по формуле:

$Mf=1-e^{-delta V/V_{exhaust}}$

Чтобы выбраться из крутого гравитационного колодца, нам нужен двигатель с большой тягой. Поэтому мы используем химические ракеты. $V_{exhaust}$для химических ракетных двигателей с более высоким ISP составляет около 4 км / с. Дельта V для достижения LEO составляет около 9 км/с.

Такая дельта V в сочетании с ракетным уравнением Циолковского означает около 90% топлива и 10% сухой массы.

Теперь часть бюджета сухой массы должна идти на ракетные двигатели, структуру, авионику, источник питания и полезную нагрузку. Так что по мере того, как бюджет Delta V растет, у нас остаются топливные баки примерно такие же тонкие, как алюминиевые банки из-под кокса.

Фото танка шаттла от НАСА

Увеличьте бюджет Delta V еще больше, и вам понадобятся стенки топливного бака из целлофана и лунных лучей.

Один из способов достичь массовых долей, предусмотренных уравнением ракеты, — это выбрасывать сухую массу в пути: одноразовые многоступенчатые ракеты.

А потом повторный вход. Итак, теперь у нас есть космический корабль размером с яичную скорлупу, возвращающийся в атмосферу Земли со скоростью 8 км/с. При входе в атмосферу корабль оказывается в очень экстремальных условиях: температура достигает тысячи градусов, динамическое давление делает ураган пятого класса похожим на легкий бриз.

Я даю SpaceX более чем равные шансы на то, что они повторно используют ступень ускорителя. Если бустерная ступень имеет дельта-V только 4 или 5 км/с, это позволяет получить более прочную конструкцию. Также ракета-носитель не будет возвращаться в атмосферу на орбитальной скорости.

Повторное использование капсулы также может быть выполнимо. Капсула возвращается в атмосферу с орбитальной скоростью. Но у него низкий бюджет дельты V. Меньший бюджет дельты V допускает массовую долю, которая обеспечивает прочную конструкцию и систему тепловой защиты (TPS).

Я даю менее чем равные шансы на то, что 2-й этап можно будет использовать повторно. 2-й этап должен обеспечить скорость около 8 км/с и должен повторно войти на скорости 8 км/с.

Хотя я даю более чем равные шансы на то, что капсулу и ракету-носитель SpaceX можно использовать повторно, я даю немного меньше, чем равные шансы, что их можно повторно использовать с меньшими затратами . В космическом шаттле повторно использовались некоторые детали, но сэкономленные средства были в значительной степени съедены затратами на ремонт. Сколько будет стоить ремонт SpaceX? это еще предстоит выяснить.

Основная причина в том, что для вывода объекта на орбиту требуется большая скорость. Например, орбитальная скорость на НОО составляет около 7,8 км/с. Что это обязательно означает, так это то, что последняя ступень ракеты — та, которая выводит спутник на заданную орбиту — будет двигаться почти с орбитальной скоростью. Если вы хотите восстановить эту стадию, вам нужно замедлить ее обратно.так что он может повторно войти в атмосферу, что может быть сделано наиболее экономично за счет комбинации топлива для повторного входа в атмосферу, теплового экрана, чтобы выдержать повторный вход в атмосферу, и парашюта или большего количества топлива для плавного приземления. Проблема в том, что все это значительно увеличивает вес, поэтому вместо того, чтобы выводить на орбиту только полезную нагрузку, вы теперь запускаете на орбиту полезную нагрузку, топливо, теплозащитный экран и парашют. Поэтому восстанавливать верхние ступени в ближайшее время будет нецелесообразно.

Было предложено повторно использовать баки космических челноков, выводя их на орбиту. Это было бы намного дешевле, чем их повторное использование на земле, поскольку дополнительное топливо, необходимое для вывода их на безопасную орбиту, было бы гораздо менее весомым, чем топливо, тепловой экран и парашют для их возвращения на поверхность Земли.

Восстановление и повторное использование нижних ступеней более практично, потому что они движутся не так быстро и могут даже все еще находиться в атмосфере, что делает парашюты очень практичными. Чем меньше delta-v требуется для восстановления, тем это дешевле и практичнее. Вот почему ракеты-носители космического челнока были обнаружены. Тем не менее восстановление первой ступени не обходится без серьезных проблем, о чем свидетельствуют учения SpaceX по восстановлению первой ступени:

Следуя за разгонным блоком второй ступени и полезной нагрузкой на ее орбитальной траектории, SpaceX провела успешные летные испытания отработавшей первой ступени. Первая ступень успешно разогналась с гиперзвуковой скорости в верхних слоях атмосферы, совершила успешный вход в атмосферу, посадку, развертывание посадочных опор и приземлилась на поверхность океана. Первая ступень не была извлечена для анализа, так как целостность корпуса была нарушена либо при приземлении, либо при последующем «опрокидывании и ударе корпуса». Результаты анализа после приземления показали, что целостность корпуса была нарушена, когда корпус ракеты-носителя высотой 46 метров (150 футов) упал горизонтально, как и планировалось, на поверхность океана после приземления.

-- википедия

Нелегко спроектировать конструкцию, которая одновременно выдерживает вертикальные силы гравитации/ускорения и очень разные силы, связанные с опрокидыванием на бок. Даже с парашютом нельзя просто сбросить 15-этажную ракету в океан и надеяться на лучшее. Это одна из причин, по которой SpaceX пытается посадить первую ступень в вертикальном положении, поскольку сделать это было бы намного дешевле, чем добавлять дополнительные структурные усиления, необходимые для того, чтобы такая большая ракета выдержала опрокидывание в воду.

Тем не менее, нет принципиальной причины, почему нельзя построить полностью многоразовую ракету, просто ракета должна быть значительно больше (с точки зрения топлива) и сложнее, чем эквивалентная одноразовая ракета, пока это не было экономически целесообразным. чтобы сделать такие более крупные и сложные ракеты.