Посадка первой ступени SpaceX: почему бы не использовать приподнятую сетку над посадочной платформой, чтобы поймать ракету?

Ракета сохранит ту же систему спуска, что и сейчас (без парашюта). Но вместо того, чтобы приземлиться на ноги, у него были бы длинные решетчатые плавники на его вершине, которые были бы пойманы приподнятой тросовой сетью.

Предыдущие попытки SpaceX показали, что положение приземления очень точное, но трудно приземлиться медленно и достаточно стабильно, чтобы не упасть на бок или не сломать ногу. Эта цель решения решит эту проблему, а также уменьшит вес ракеты.

Глобальная идея - максимально перенести систему посадки (и ее вес) с ракеты на землю.

Приподнятая сетка для посадки первой ступени ракеты

  • Никаких парашютов, сохраняйте нынешние преимущества контролируемого спуска, ориентируясь на точное и оптимальное положение в море.
  • Нет больше тяжелых ног.
  • Больше не может упасть после приземления или сломать ногу.
  • Длинные верхние решетчатые стабилизаторы помогут стабилизировать спуск и немного замедлить ракету (в отличие от нынешних нижних опор, которые затрудняют управление).
  • Сила удара при приземлении поглощалась бы упругостью киля (и всей платформы на воде) на нескольких метрах; гораздо дольше, чем нынешнее жестокое воздействие на ноги. Таким образом, ракета могла приземляться с более высокой скоростью, экономя больше топлива.

Так что наверняка в этой идее должны быть недостатки и проблемы... жду вашего мнения и идей!

РЕДАКТИРОВАТЬ: вид сверху на сеть ниже. Металлическая конструкция будет иметь ширину 50 м (такую ​​же, как у нынешней посадочной платформы), отверстие для сетки 15 м в диаметре и длину верхних опор 15 м, поэтому она не может провалиться через отверстие и не соприкоснуться с твердой конструкцией.

введите описание изображения здесь

О некоторых очень интересных проблемах сообщается в ответах:

  • Точность ракеты для входа в сетку отверстия : диаметр отверстия будет 15 м, а целевая точность SpaceX — 10 м, так что все уже должно быть в порядке.

  • Сеть будет гореть / плавиться от ракетного огня : как видно из пункта выше, пламя не должно касаться кабелей - и в любом случае кабели должны быть достаточно устойчивыми к ним.

  • Сопротивление верхней части ног (15 м вместо фактических 7 м):

  • Я думаю, что большая часть веса используемых в настоящее время опор приходится на огромные гидравлические цилиндры, необходимые для раскрытия опор против трения воздуха (это не относится к верхним опорам).

  • Кроме того, они должны быть очень прочными, чтобы выдержать мгновенный удар при приземлении, который будет сглажен за счет чистой эластичности.

  • Мы также можем представить некоторые «ноги» немного по-другому: если конструкция достаточно высока, это могут быть крючки, которые цепляются за сетку не горизонтально, а под углом 45° по вертикали, и, таким образом, принимают всю силу в основном на растяжение, а не на сжатие, больше похоже на кабели, поэтому они очень прочные при очень малом весе.

  • В качестве примечания, в этот момент я сделал ошибку, назвав их «сетчатыми плавниками», они были бы просто верхними ногами, автоматически выполняющими ту же стабилизирующую работу, что и сетчатые плавники, привязанные к их длине.

  • Сопротивление конструкции сцены . Ступень не рассчитана на поддержку верхних опор, но ракета весит 325 тонн при старте, поэтому я полагаю, что 20 тонн при более плавной посадке должно быть достаточно без слишком сильного усиления.

  • Движение баржи , которое сделало бы верхнюю часть сети очень неустойчивой. Хорошая точка зрения. Но баржа очень большая (50 × 90 м), так что он достаточно устойчив, и мы могли бы добавить очень тяжелый и глубокий киль (не уверен в слове), чтобы стабилизировать его больше, так как в это время ему не нужно быстро двигаться (может быть, это уже так).

  • Сеть порвется, если ракета полетит слишком быстро . Абсолютно, но ракета все равно замедлилась бы почти до 0, как сейчас. Просто у него было бы немного больше гибкости, он мог бы идти немного быстрее или менее прямолинейно.

Сухой вес: ~ 25 тонн, каждый 1% остатка топлива - это еще 4 тонны, что само по себе не является препятствием для шоу, но почти полное прохождение ракеты через маленькое отверстие может увеличить нагрузку на навигацию - это, безусловно, меньшая апертура в фазе. пространство, чем приземление (которое в данном случае имеет 10 измерений вместо обычных шести, так как важен наклон. Но об этом стоит подумать дальше! Потенциальное преимущество состоит в том, что ваша сеть может предположительно поглощать некоторую переменную величину скорости вниз — она не имеет достичь нуля в нуле.
«Отверстие» в середине сетки могло быть довольно большим (настолько большим, насколько могут быть длинные ребра сетки), и у меня сложилось впечатление, что все прошлые попытки уже были действительно точными для этой точки. А с другой стороны, можно было бы сэкономить много топлива за счет снятия веса ног и идеально стабильной посадки почти на нулевой скорости. (но конечно я не рассчитывал и не смог бы ^^)
Я думаю, они нацелены на разработку систем, которые могут приземляться на неподготовленной местности, даже на Луне и Марсе. Даже если он бесполезен для посадки первой ступени F9, я думаю, они используют его как тестовую машину.
Это правда. Но я все же мог бы сэкономить как можно больше на «обычных» земных ракетах.
Это очень похоже на этот вопрос: space.stackexchange.com/questions/7866/…
Не очень похоже; вопросы решения этого конуса здесь не касаются (посадка на неровную поверхность, повреждение борта ракеты и т.д.)
Предположение: в случае неудачной посадки ракеты-носителя стоимость ремонта или замены сети и опорной конструкции, вероятно, превысит стоимость ремонта существующих посадочных платформ. Я опубликовал ответ на этот счет, но мне не удалось найти никаких цифр, подтверждающих его, поэтому я удаляю ответ и вместо этого публикую этот комментарий.
Если вы движетесь со скоростью 0 м/с, когда попадаете в сетку, почему бы просто не двигаться со скоростью 0 м/с, когда вы приземляетесь? А если скорость выше 0 м/с, из какого хендвавиума сделана ваша сеть? @KeithThompson - Вы хотите сказать мне, что здесь был ответ, в котором говорилось: «Деньги». ? Я бы УФ это.
Вероятно, мне придется вернуться к этому и моему ответу :) twitter.com/elonmusk/status/1422603106035118085

Ответы (4)

Редактировать 2: добавлен абзац о том, что происходит после приземления (см. внизу)

Итак, у меня есть куча аргументов против этой схемы, но вот главный:

Вы сделали ноги в два раза длиннее (настоящие около 7 м), а значит, они как минимум в два раза тяжелее. Вероятно, больше, так как нагрузка будет распространяться дальше, поэтому ноги должны быть сильнее. Пока что вы не только не экономите вес, но и добавляете несколько тонн к собственному весу сцены.

Другие аргументы:

Ножки находятся внизу сцены, удобно расположены там, где сцена уже должна быть максимально прочной, чтобы выдерживать нагрузки от двигателей. Нижние петли крепятся к раме двигателя Octaweb. Верхний шарнир имеет сжимающую нагрузку, которую достаточно легко спроектировать (достаточно полосы из более толстой кожи). Благодаря геометрии ножек нагрузка распределяется между нижней и верхней петлями.

Когда вы перемещаете ноги наверх, вы должны укрепить сцену наверху, где у вас еще нет прочной конструкции внутри. Когда ножки выпрямлены, верхние шарниры не принимают никакой нагрузки, поэтому вся нагрузка приходится на нижний шарнир. Нижний шарнир будет тянуть наружу с усилием в несколько тонн, поэтому здесь нужно усилить обшивку.

Верхняя часть сцены предназначена для поддержки веса в вертикальном направлении, а не для поддержки больших горизонтальных нагрузок.

Так...

  1. вы не экономите на весе, потому что вам все еще нужны ножки, которые могут поддерживать сцену, вы просто переместили их снизу вверх.
  2. вам нужно укрепить верхнюю часть сцены, что добавляет вес.

У вас все еще есть режим отказа «нога ломается после приземления» или «нога не фиксируется в нужном положении», потому что вы используете очень похожий механизм.

Гидравлические цилиндры все еще там: на этот раз они не толкают против ветра, они не дают ветру резко откинуть ноги назад. Более длинные ноги = большие аэродинамические силы, а значит, и больший вес, чтобы вещи не ломались.

Сеть по своей природе менее устойчива к огню ракеты, чем плита асфальта поверх стальной плиты. Сетка также создает точечные нагрузки там, где трос встречается с посадочной опорой. Когда ракета оседает в сети, она будет двигаться. Нога будет скользить по тросам, что приведет к истиранию ножек (стальной трос — приличное полотно пилы).

Баржа движется по воде, покачиваясь на волнах. Любое движение усиливается высотой стержней, поддерживающих сетку: несколько градусов наклона приводят к смещению стержней на несколько метров. Это делает дыру движущейся мишенью, в которую гораздо труднее попасть, чем в саму баржу.

Маневр на воздушной подушке направлен на то, чтобы довести вертикальную скорость ракеты до 0 в момент приземления. Захват ракеты, пока она еще имеет некоторую вертикальную скорость, увеличивает нагрузку на ракету. Таким образом, вы должны сделать ноги сильнее и тяжелее снова.

Когда сцена использует свой главный двигатель для маневрирования, двигатель качается, извергая десятиметровый столб пламени под большим невертикальным углом.

Можно построить платформу, на которую не влияет волновое движение. Можно добавить большую подводную конструкцию, обеспечивающую плавучесть. Морские буровые установки иногда строятся так. Это сделало бы баржу гораздо менее мобильной и в 10 раз тяжелее (= в 10 раз дороже), чем сейчас.

Чтобы обеспечить гибкость при приземлении, было бы проще заменить текущую конструкцию опоры на ту, которая не блокируется и добавляет некоторую амортизацию в гидравлическую систему. Однако для этого требуется более сложная и тяжелая гидравлика.

И еще: что происходит после приземления? В текущей конструкции экипаж (предположительно) поднимается на борт и приваривает несколько зажимов к ногам, чтобы закрепить ракету на обратном пути. Простой.
В вашем сценарии ракета висит на сети. Его нужно охранять, и довольно быстро, иначе он во что-нибудь врежется и разрушится. Вы не можете опустить его вертикально (нет ножек внизу), поэтому вам придется придумать сложный механизм, чтобы установить его горизонтально на подставку.

Спасибо за ответ. Вы уверены, что сцену, которая выдерживает вес в 325 тонн при отрыве, действительно нужно укрепить, чтобы обеспечить более плавный захват верхней частью в 20 тонн? А насчет движения баржи, это конечно проблема. А вот движение надо ограничивать очень длинным и тяжелым килем (не уверен в слове). Не нужно быть приспособленным для скоростного путешествия и т. д., только для поддержания баланса.
Сеть будет тросовой, поэтому может немного сопротивляться огню, и в любом случае пламя не должно касаться их, в центре есть 15-метровая дыра. Ноги могут сломаться, но удар будет намного более плавным (благодаря эластичности сетки), чем на твердом грунте, поэтому меньше шансов сломаться. И цель по-прежнему заключалась бы в том, чтобы получить скорость "около 0", просто ее не заставляли бы быть именно такой, было бы больше гибкости, чем сейчас
На самом деле это довольно сильная волна, которая может внезапно наклонить баржу размером ~ 170 x 300 футов на несколько градусов. Если бы такая волна попала в тот момент, когда ракета вот-вот должна была приземлиться, это тоже могло бы иметь плохие последствия. Я думаю, что это действительно нужно смоделировать - компромиссы могут быть не такими очевидными с реальными числами.
Хорошая мысль о весе верхней ноги. Хотя я думаю, что большая часть веса нынешних ног приходится на огромные гидравлические цилиндры, необходимые для раскрытия ног против трения воздуха (это не относится к верхним ногам). Также они должны быть очень прочными, чтобы выдержать мгновенный удар при приземлении, который будет сглажен за счет чистой упругости. Наконец, верхние ветви должны быть в основном устойчивыми к растяжению, а не к сжатию, и этого гораздо легче добиться (кабель очень устойчив к растяжению, гораздо сложнее получить такое же сопротивление к сжатию).
Я добавил некоторые мысли о гидравлике и о том, что происходит после приземления.
Это отличный вопрос! («что происходит после приземления?»). По-видимому, после того, как гидравлика опустит ракету на несколько дюймов от платформы, они будут использовать этот робот для дуговой сварки , чтобы закрепить ее напрямую. А если серьезно, то хорошая мысль! Мысль о том, что кто-то просто пойдет и «снимет это позже», не совсем оправдана.
«Нога не фиксируется в нужном положении», потому что вы используете очень похожий механизм». - не в этом случае, потому что замок встроенный (шарнир больше не откроется), а не механизм (не дает ноге закрыться так, как она открылась).
Все хорошие моменты. Я действительно думаю, что слабость моего предложения заключается в сопротивлении ног. Это определенно потребует некоторых расчетов, которые я не могу сделать. Я не думаю, что конструкция платформы или защита ракеты после приземления являются такой уж большой проблемой, весь этот механизм можно было бы использовать повторно, а не отправлять в космос.
Мы могли бы представить вариант этих ног. Например, просто много тросов, которые можно было бы «натянуть на ракету под углом 45°» на мини-парашюте (действительно маленький парашют, только чтобы тянуть тросы). И у этих тросов были бы крючки, которые можно было бы зацепить сетью.

Проблема № 1: корпус ракеты очень тонкий (как банка из-под газировки), и малейшая сила в направлении, в котором будет действовать сеть, вероятно, вмятина на нем.

Проблема №2: никогда не было проблем со стабильностью, которые нужно было бы решать какими-то дополнительными хитростями. Это было:

  • недостаточно гидравлических жидкостей для рулевого управления
  • застрявший клапан и алгоритмы, не учитывающие созданную им задержку
  • нога не заблокирована
  • пока не уверен (может быть, слишком быстро, потому что не хватает запаса топлива?)

Первые 3 просто нуждались в исправлении конкретной проблемы, а 4-я попытка в любом случае была проверкой верхних пределов.

Проблема №3: ​​сеть и окружающие конструкции должны были выдерживать выхлопы ракеты 1 или даже 3 (якобы с 4-й попытки) двигателей.

Проблема № 4: SpaceX готовится к Марсу, и у вас там не будет таких преимуществ .

Это проблемы до сих пор - недостаточно данных, чтобы сказать, что это единственные проблемы!
О проблеме № 1: отверстие может быть довольно большим (столько же, сколько ребра сетки могут быть длинными), я думаю, что текущей точности будет достаточно для этого. Пост об этом отредактирую Насчет вопроса №2: с сеткой те же первые 3 выпуска не сломали бы ракету (теоретически конечно). Идея заключалась в том, чтобы сохранить ракету, даже если посадка не будет идеальной/устойчивой или возникнут различные проблемы.
Чем больше отверстие, тем больше скорости и силы, прикладываемые им в случае его «использования», и тем важнее №1. Это обсуждалось уже слишком много раз - это даже стало FAQ
Очень хорошие моменты, извините, я не видел этот faq. Однако на самом деле это не то же самое предложение (сохранить ноги, просто добавить что-то, чтобы предотвратить их падение), поэтому большинство их ответов здесь не применимы. Но у них есть хорошее мнение о силах (мои решетки плавников могут просто сломаться, если они не будут слишком сильными и не слишком тяжелыми) и о цели приземления на другие планеты.
О проблеме № 3: я не думаю, что это будет большой проблемой, не будет прямого контакта с выхлопными газами, меньше, чем для взлетной конструкции.
О проблеме № 4: да, вы правы!
@Gaddy, да, пункт часто задаваемых вопросов - самый общий ответ, потому что вариантов слишком много. Но, по моему мнению, главное - это № 2 - ожидается, что будет намного проще просто исправить небольшие проблемы, а не разрабатывать новый набор более крупных.
@Гэдди, а о твоем конкретном отличии - корпус ракеты рассчитан на силы двигателей, толкающих 5G+ вверх , но он может быть довольно хрупким, если двигатели (самая тяжелая часть) "свисают" сверху.
Может быть, но все равно весело обсуждать среди нас эти варианты и их плюсы/минусы :-)
Насчет устойчивости к усилию вверх/вниз: да, это возможно, но я полагаю, что сила отрыва при полном весе настолько выше, что пустая конструкция должна нормально висеть. Меня больше беспокоит сопротивление моих длинных решеток плавников (хотя они сделали несколько ног, это было бы как раз наоборот).
Проблема № 5: да, он запустит двигатели раньше, но и «приземлится» раньше (все произойдет немного выше), так что никакой реальной разницы, нет? PS: пожалуйста, перестаньте добавлять вопросы ;-)
@Gaddy Даже при взлете весь этот вес приходится на двигатели, но да - верхняя часть удерживает полностью заправленную вторую ступень, поэтому она не может быть слишком хрупкой. Ваши решетчатые плавники становятся ногами в другом положении, если они должны удерживать тот же вес и не защелкиваться - и это не спасет проблему Джейсона-3 с незафиксированными ногами, потому что у них тоже должен быть механизм блокировки.
Объявление @Gaddy № 5 правда. Пока остановился :)
Я думаю, что заблокировать «перевернутые» ноги было бы намного проще, потому что их развертывание помогает трению воздуха, а не против него. Таким образом, нет реальной необходимости в фиксирующем механизме, трение воздуха все равно подтолкнет ноги вверх в их развернутом состоянии. Извините, я не очень хорошо объясняюсь со своим плохим английским.

Вы используете слишком высокие скорости, чтобы сделать это возможным, как при посадке на воду (можно сказать, почему бы не «нырнуть» в воду). На скоростях, когда ракета приземляется, если ее не контролировать, попадание в сетку равносильно попаданию в поверхность земли/воды.

Таким образом, посадочные ноги (которые крепятся к сетке) должны выдерживать полную силу и рассеивать всю кинетическую энергию, не создавая большого импульса.

Так что, по вашему мнению, делает это «легче», чем посадка на землю? Сеть должна иметь очень высокий предел текучести, чтобы противостоять этим силам. Но не только это: либо сетка должна быть действительно гибкой, либо посадочные анкеры просто должны выдерживать те же силы, что и при посадке на землю.

Материала с высоким пределом текучести и высокой пластичностью (низкий модуль Юнга ), который можно создать достаточно большого размера, просто еще не существует. Конечно, такие теоретические материалы, как графен, могут оказаться полезными в будущем, но если вы допускаете это, почему бы не сделать всю ракету из этого материала?

Теперь у использования сети есть и существенный недостаток по сравнению с посадкой на землю, как это делают «Союзы». (Это похоже на то, почему приземление на воду намного сложнее как для воздушного, так и для космического корабля). Земля представляет собой четко определенную структуру, вы знаете ее форму и она (вероятно) очень плоская. Сеть (и море) не такие, они деформируются (волны) и почти никогда не бывают плоскими. Этот эффект в сети преувеличен работой сетчатых конструкций: вы никогда не приземлитесь идеально, поэтому одна часть ракеты сначала коснется сети, это создаст волну, которая фактически создаст восходящую силу в других частях, которые приземляются. .

Попробуйте смоделировать последнюю часть.

Скорость по-прежнему была бы очень медленной, почти 0 - просто больше гибкости, чем сейчас, она выдерживала бы немного более высокую скорость при посадке благодаря эластичности. Это все равно будет жестко контролируемый спуск. Что делает его легче, чем на твердом грунте, так это то, что будет некоторая эластичность, чтобы поглощать силы удара в течение более длительного времени, удар сглаживается. Небольшая гибкость уже намного лучше твердой почвы с мгновенным ударом. Твердые кабели должны быть в порядке, с расстоянием будет немного эластичности с небольшой деформацией кабеля и самой конструкции.
Ваша точка зрения о воде/земле верна, но Spacex уже пытается приземлиться на море, чтобы не тратить много топлива, чтобы вернуться на землю. Насчет «волны», создаваемой, когда одна сторона приземляется первой, это правда, но эффект хуже на твердой земле, так как это мгновенный удар, а не сглаживание за счет упругости. Я имею в виду, что если вы приземлитесь на твердую землю, не идеально прямую... вся мгновенная сила удара идет на 1 ногу, очень трудно сопротивляться. В сети это начальное касание не будет так важно, так как оно будет гладким в течение длительного времени.
Существуют стальные тросы и пружины невероятно большого размера. [1 ], [2 ], [3 ]. Любой строитель подвесных мостов будет в восторге от этого проекта!
[4 ]
@uhoh: Тем не менее, сталь на самом деле очень жесткая (высокий модуль Юнга) по сравнению с ее максимальной прочностью, поэтому вы не получите «мягкой посадки», использование пружин не является «волшебным решением» - вы все еще ограничены в выбор материала. (Алюминий и титан легче согнуть, чем пружину).
@Gaddy: Я думаю, вы слишком оцениваете количество импульса, которое вы можете рассеять через пружинную систему. - Учитывая, что это должно быть полностью связано с упругой деформацией (цель = повторное использование), необходимо предотвратить пластическую деформацию металла.
Возможно, вы правы: но в таком случае конструкцию можно было бы улучшить какими-то особыми механическими системами, или гидроцилиндрами, или чем-то еще, чтобы добавить эластичности при ловле. Все это может быть очень дорогим, так как любой вес в земле (и многоразовый) ничего не стоит по сравнению с экономией веса на ракете.
Это чисто базовые инженерные вопросы, которые следует решать с помощью простой математики, а не абзацев. Будет ли работать материал, выражается как need > isили need < is. Этот шар (см. видео) перед взлетом весит больше, чем полностью заправленный F9 - гидравлические амортизаторы поглощают энергию в этом случае. См . также. Текущий вопрос имеет несколько иные потребности, и приспосабливаться к новым требованиям — это то, чем инженеры занимаются каждый день.
поправка: "...что " очень умные " инженеры делают каждый день."

Есть одна ключевая причина, по которой SpaceX не будет этого делать, — это стоимость. У них уже есть приемлемая процедура посадки, и они намерены постепенно отказаться от запусков Falcon 9 в пользу Starship.

Таким образом, нет особого смысла платить за относительно сложные механизмы ловли на трех беспилотных кораблях и, возможно, потерять один или два бустера при тестировании.

Но SpaceX (в конечном итоге) будет использовать какой-то механизм захвата для ракеты-носителя Starship Superheavy.

Посадка первой ступени SpaceX: почему бы не использовать приподнятую сетку над посадочной платформой, чтобы поймать ракету?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v