Könnten betankte Oberstufen durch Rückantrieb wieder eintreten?

Nehmen wir an, wir schaffen es, Wasser auf dem Mond abzubauen und viel davon an LEO zurückzugeben. Wäre es schwierig, eine Oberstufe zu entwerfen, die in diesem Depot tanken könnte und diesen Kraftstoff verwendet, um an die Oberfläche zurückzukehren und wiederverwendet zu werden?

Ich habe über ULAs Advanced Cryogenic Evolved Stage gelesen , und in einem Artikel der Verteidigungsnachrichten sagte Tony Bruno

„Wir hatten die Idee, na ja, warum musst du es zur Erde zurückbringen, nur um es wiederzuverwenden?“ Bruno sagte: "Warum lassen wir es nicht einfach im Weltraum?"

... Ja, aber ... warum nicht zurück zur Erde bringen und wiederverwenden?

Ist es nur eine Frage, wie man genug Treibstoff da oben hat, so dass es vernünftig ist, vorzuschlagen, einen Haufen spezialisierter Oberstufen mit genug Treibstoff zu betanken, um treibend abzubremsen und zu landen? Gibt es weitere Komplikationen?

Vielleicht sollte ich erwähnen, dass ich darüber im Hinblick auf die langfristige Mondentwicklung nachdenke. Jkavalik erwähnte in Kommentaren, dass eine große Komplikation darin besteht, dass Dinge in viele verschiedene Umlaufbahnen gestartet werden und es daher selten wäre, dass sich eine Oberstufe in Reichweite eines Treibstoffdepots befindet (obwohl sie eine Architekturänderung erwähnten, bei der Nutzlasten auf Weltraumschlepper übertragen werden Abschluss des Orbit-Einfügungsprozesses im Depot könnte das umgehen). In dem speziellen Fall, an den ich denke, sind die Nutzlasten für einen Sammelpunkt bestimmt, bevor sie zum Mond weiterfliegen, wahrscheinlich eine Raumstation.

Aber wie kann man ohne den notwendigen Hitzeschild wieder in eine Oberstufe eintreten? Etwas Treibstoff ist notwendig, um einen Wiedereintritt von einem LEO einzuleiten, aber ohne einen Hitzeschild würde die Stufe zerstört werden. Wenn die Verzögerung nur mit Kraftstoff und nicht mit Luftwiderstand erfolgen soll, benötigen Sie mehr Kraftstoff, der in die obere Stufe passt. Die erste Stufe wurde benötigt, damit die zweite Stufe die Umlaufbahn erreichen konnte. Um den Aufstieg in einen Abstieg ohne Hitzeschild umzukehren, würde die erste Stufe für den unteren Teil des Abstiegs benötigt. Stellen Sie sich vor, Sie würden versuchen, die Bühne ohne Atmosphäre zurückzugeben.
@Uwe Dafür müsste eine Oberstufe ausgelegt werden. Es muss Treibstofftanks haben, die erst auf der Rückfahrt gefüllt werden, damit genug Treibstoff hineinpasst.
Delta-v einer gefüllten Oberstufe ohne die Nutzlast wäre um einiges höher und könnte es ermöglichen, den größten Teil der Umlaufgeschwindigkeit aufzuheben.
Das Problem, das ich sehe, ist, dass die Nutzlasten in viele verschiedene Umlaufbahnen fliegen, sodass die Stufe höchstwahrscheinlich sehr weit von jedem Depot entfernt enden wird, es sei denn, es sind zu viele von ihnen. Aber möglicherweise ändert sich der gesamte Prozess: Starten Sie zu wenigen spezifizierten LEO mit einem Depot und einem vorbereiteten Schlepper. Übertragen Sie die Nutzlast auf den orbitalen Schlepper, tanken Sie auf und landen Sie.
@jkavalik Das macht Sinn. Außerdem denke ich in meinem Fall an die Mondentwicklung und daher an eine tatsächliche Raumstation in LEO, die die hohe Fluggeschwindigkeit unterstützt, die für eine signifikante Entwicklung auf dem Mond erforderlich ist. Wenn also diese oberen Stufen nur zu dieser Station gehen, gäbe es immer noch genug Flüge, um dies zu rechtfertigen. Vielleicht sollte ich das editieren in...
Wenn es zusätzliche Treibstofftanks gibt, die erst auf der Rückfahrt gefüllt werden, könnten die Raketentriebwerke der Oberstufe für all den Treibstoff und die Masse zu schwach sein. Ein Großteil der Umlaufgeschwindigkeit muss zerstört werden, bevor der Eintritt in die dichteren Teile der Atmosphäre beginnt. Wenn die Stufe zu schnell für die dichtere Atmosphäre ist, wird sie durch die Hitze des Wiedereintritts zerstört. Die Masse der zusätzlichen leeren Tanks reduziert die Nutzlast der Oberstufe um den gleichen Betrag. Ist es möglich, die Rückfahrt nur mit einer Etappe zu machen, wenn zwei Etappen für den Aufstieg erforderlich sind? Das mögliche Delta v ist begrenzt.
@Uwe Der treibende Wiedereintritt ändert die Wiedereintrittsdynamik beim Erhitzen, indem die Stoßschicht weiter vom Fahrzeug entfernt wird. Ich weiß nicht, in welchem ​​Umfang, aber es ist eine Überlegung. Wie jkavalik betonte, sind die Triebwerke so ausgelegt, dass sie die Masse einer Nutzlast auf Umlaufgeschwindigkeit bringen, also sind die Triebwerke für etwa 6 km / s Delta v für diese Masse ausgelegt, bevor sie die von Ihnen erwähnte dichtere Atmosphäre erreichen.
@kimholder wurde von Antriebsingenieuren ernsthaft ein treibender Wiedereintritt aus der Umlaufbahn für die Erdatmosphäre vorgeschlagen? Können Sie einen Link anbieten, wo wir mehr darüber lesen können? Ich denke, die eigentliche Frage in Ihrer Frage lautet wirklich "Könnte ein treibender Wiedereintritt zur Vermeidung der Verwendung von Hitzeschilden in der Erdatmosphäre möglich sein" und nicht der Abbau von Wasser auf dem Mond, daher sollte der Titel "treibender Wiedereintritt" und "Erdatmosphäre" enthalten. explizit, anstatt bis zum fünften Absatz zu warten, um es explizit zu erwähnen.
@uhoh Die erweiterte Schockwelle, die mit dem treibenden Wiedereintritt einhergeht, wurde in Bezug auf Falcon 9 untersucht, um zu überlegen, wie dies auf den treibenden Eintritt in den Mars angewendet werden könnte. Darüber hinaus, nicht dass ich wüsste. Dabei geht es aber nicht darum, den Einsatz von Hitzeschilden zu vermeiden. Es geht darum, welche Schwierigkeiten dabei im Allgemeinen auftreten würden. Deshalb möchte ich nicht konkreter werden. Der fünfte Absatz ist wirklich eine zusätzliche Information, damit die Anwendung bekannt ist.
@kimholder OK, würde es Ihnen etwas ausmachen, wenn ich als separate Frage stelle; "Wurde die Verwendung von Antrieben beim Wiedereintritt der Erdatmosphäre aus dem Orbit jemals ernsthaft in Betracht gezogen oder die Probleme angesprochen?" Ich denke, dass es eine separate Frage ist, weil ich nach früheren Ingenieurarbeiten frage und Sie fragen, "was wären die Schwierigkeiten bei der Verwendung von Mondwasser, um zur Erde zurückzukehren".
@uhoh du hast eine bestimmte Art von Frage, die du gerne stellst, ich habe eine andere Art. Ich stelle eine allgemeine Frage, und daran ist nichts auszusetzen. Diese Seite ist nicht nur für Leute, die die ganz besonderen Details wollen. Es ist keine Voraussetzung, bereits über Weltraumforschung Bescheid zu wissen oder detaillierte Recherchen durchgeführt zu haben, bevor man eine Frage stellt. Ich habe keine Notwendigkeit zu verteidigen, dass ich mit den Erwärmungsproblemen des treibenden Wiedereintritts nicht vertraut bin. Ich denke auch nicht, dass es unangemessen ist, nach etwas zu fragen, das erhebliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfordern würde. Ich versuche, die Probleme herauszufinden.
@uhoh auch "was wären die Schwierigkeiten bei der Verwendung von Mondwasser, um zur Erde zurückzukehren" ist eine ganz andere Frage, die als unklar und zu weit gefasst würde. Das ist ganz anders. Ich verstehe nicht, warum Sie meine Fragen als etwas darstellen wollen, das sie nicht sind.
@kimholder beschränken wir die Diskussion auf die Frage selbst. Ich empfehle Ihnen, die Frage zu verbessern, indem Sie sich auf die Rolle des Antriebs beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre konzentrieren. Hat es einen Nutzen, mehr als ein winziges bisschen übrig zu haben, das das leere Raumfahrzeug benötigt, um seine Apoapsis abzusenken, um wieder in die Erdatmosphäre einzutreten? Könnte mehr Treibstoff den Wiedereintritt in die 2. Stufe aus der Umlaufgeschwindigkeit erleichtern? Betankungsstrategien für LOX/LH2 sind eine ganz andere Frage. Wenn Sie sie separat fragen, können Personen mit unterschiedlichem Fachwissen jeden Teil ansprechen, auch wenn sie keine Antwort auf den anderen haben.
@uhoh meine Kommentare oben sind relevant. Ich erkläre, warum ich Ihrer Empfehlung nicht folgen werde und warum es unfair ist, meine Frage so zu charakterisieren, wie Sie es getan haben. Sie können gerne entsprechende Fragen stellen. Was ich für meine Arbeit wissen muss, ist in der vorliegenden Frage gut ausgedrückt. Es ist auch für Menschen mit weniger Hintergrund viel zugänglicher, so wie es ist.
Wird die ausgedehnte Schockwelle, die mit dem treibenden Wiedereintritt einhergeht, die Stufe vor der Hitze schützen? Möglicherweise isoliert das heiße Abgas des Raketentriebwerks die Bühne von der Atmosphäre. Aber die Hitze während des Wiedereintritts wird nicht durch Reibung verursacht, sondern durch Kompression. Wenn das heiße Gas aus dem Motor komprimiert wird, wird es noch heißer als die vorherige kalte Luft der oberen Atmosphäre.
Ich glaube nicht, dass die Gase der Abgasfahne nicht auch komprimiert würden. Es gibt keine feste Wand zwischen dem komprimierten Gas der Atmosphäre und dem Gas der Abgasfahne. Wenn der Druck des weiter von der Stufe entfernten Gases ansteigt, steigt auch der Druck des Gases näher an der Stufe.
@Uwe Eigentlich habe ich meine vorherigen Antworten gelöscht, da, obwohl der größere Bugstoß und die Temperatur des Materials im Bugstoß ein Faktor sind, die Antworten darauf hinweisen, dass die Deorbit-Verbrennung durchgeführt werden kann, um den größten Teil der Vorwärtsgeschwindigkeit zu entfernen. dann ist die Geschwindigkeit und damit die Erwärmung beim Durchgang durch die Atmosphäre viel geringer. Und die Bühne hat keine Form, die einen Bugstoß erzeugt, das passiert nur, wenn die Motoren feuern. Ich neige dazu, zu versuchen, auf technische Kommentare zu antworten, wenn ich es vielleicht nicht sollte. Es wäre besser, Ihre Kommentare unter den Antworten zu posten.
Das Pumpen von kryogenem Treibstoff in der Schwerelosigkeit zum Auftanken ist nicht einfach und auch das Starten des Raketentriebwerks der Stufe ist ohne Schwerkraft schwierig. Die Stufe würde viel mehr Batteriekapazität benötigen, um elektrische Energie für den Rückflug bereitzustellen.

Antworten (2)

Es ist nah. Wenn ich die Zahlen für die Oberstufe von Falcon 9 einsetze, erhalte ich 11.300 m / s Delta-V. Da Sie mit 9000 m/s nach LEO gelangen, reicht das aus, um Sie mit etwas Reserve wieder nach unten zu bringen. Die Oberstufe hat jedoch kein Fahrwerk. Da Sie eine Nutzlastkapazität von 5000 kg haben (bringt das Delta-V auf 9111 m / s), könnten Sie es landen. Das Gewicht der Beine und anderer Landeausrüstung würde jedoch im Verhältnis 1: 1 direkt vom Gewicht der Nutzlast abgehen.

Die Landung wird ein Albtraum. Die Oberstufe hat nur einen Motor und drosselt nicht.

Wenn ich nach einigen Zahlen auf der Falcon 9 suche, finde ich, dass der Landebrand 267 m / s beträgt, aber das beinhaltet 117 m / s Schwerkraftverlust. Die Oberstufe wird jedoch sehr, sehr heiß landen – wenn wir das maximale Nutzlastgewicht von 5000 kg berechnen, wird der Motor immer noch 103 m / s ^ 2 bei Erschöpfung abgeben. Die tatsächliche Tötungsgeschwindigkeit beträgt nur 150 m/s. Abbildung 1,5 Sekunden für die Verbrennung, die weitere 15 m/s an Schwerkraftverlust hinzufügt, also Abbildung 1,6 Sekunden für die Verbrennung. Die erforderliche Genauigkeit wird unglaublich sein. Wenn der Motor 1 Millisekunde früher zündet, wird er abgeschaltet, während er sich noch 66 cm in der Luft über dem Pad befindet, und die Rakete muss den Rest des Weges fallen. Wenn es 1 ms zu spät zündet, trifft es vielhärter, mein Bauch sagt dasselbe wie ein Sturz aus 7 Metern Höhe und es ist spät genug, dass ich die Zeit nicht damit verbringen möchte, dies zu bestätigen. Beachten Sie, dass die Motoren nicht mit einer Genauigkeit von 1 ms starten!!

(Beachten Sie, dass ich die Endgeschwindigkeit der ersten Stufe verwende. Niemand kümmert sich um die Endgeschwindigkeit der zweiten Stufe, da sie sowieso nicht fällt, sodass die Zahl nicht zu finden ist. Ich würde annehmen, dass sie etwas niedriger ist. Dies ändert die Dauer des Landebrands, aber nicht die Touchdown-Zahlen.)

Keine Quelle zur Hand, aber ich glaube, M-Vac kann drosseln.
Drosselung ist nicht das Problem - der MVac ist für den Vakuumbetrieb optimiert, und der Auspuff wird bei Druck nahe dem Meeresspiegel stark überdehnt. Das wird zu einer Instabilität der Strömung und höchstwahrscheinlich zu einem Haufen qualmenden Metallschrotts am Landeplatz führen.
Wenn seine Manövrierfähigkeit der einer F9-Erststufe etwas nahe kommt, könnte die Stufe den Wiedereintritt an einem Punkt einleiten, der sie beispielsweise in die Nevada Test Range bringen würde, und sie könnte Fallschirme für den endgültigen Abstieg einsetzen. Würde das reichen?
Die Bühne wird beim Aufprall auf den Boden nach dem letzten Abstieg mit Fallschirmen zerstört. Alle bemannten Kapseln, die nach dem Wiedereintritt mit Fallschirmen landeten, verfügten über zusätzliche Ausrüstung, um den Schock beim Aufprall auf den Boden zu begrenzen. Viele Fallschirmspringer haben sich bei einer schlechten Landung ein Bein gebrochen.
Nun, sogar das ursprüngliche Video des wiederverwendbaren Startsystems von SpaceX zeigt die zweite Stufe mit einem sekundären Antriebssystem (von Draco abgeleitet?) für die endgültige Landung (aber zusammen mit dem nach vorne gerichteten Hitzeschild, einem Flip in der Atmosphäre und einer einziehbaren Düse ist es wahrscheinlich nicht sehr realistisch). Das Hinzufügen eines solchen sekundären Systems würde wiederum die Masse in die Umlaufbahn absenken.
@jkavalik warum müsste die Atmosphäre umdrehen? Die Bühne kommt zuerst mit den Motoren und die Fallschirme wären am anderen Ende.
@kimholder das war das Video. Dort ist das Hitzeschild vorne und die Bühne geht mit der Nase zuerst in den Wiedereintritt, landet dann aber zuerst mit dem Motor. Es muss also zwischen diesen Aufnahmen wechseln.
Die Landung mit zusätzlicher Nutzlast würde die Endgeschwindigkeit wahrscheinlich nicht trivial erhöhen, aber es wird immer noch ein Schmerz sein.

Sie müssen bedenken, dass jedes Kilogramm, das Sie für ein Bergungssystem auf der Oberstufe hinzufügen, ein äquivalentes Kilogramm der Nutzlast raubt.

Mit einer wiederbetankten Stufe, die den größten Teil des ΔV von 9000 m / s in der Deorbit-Verbrennung abwerfen kann, benötigen wir keinen Hitzeschild (oder zumindest einen so robusten Hitzeschild). Wir könnten wahrscheinlich mit etwas wie dem aufblasbaren Hitzeschild davonkommen, das die NASA getestet hat.

Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob es sich um einen Engine-First-Wiedereintritt handelt. Das Ende der MVac-Düse ist etwas dicker als eine Getränkedose (denken Sie daran, dass sie mit einer Blechschere für COTS-1 manuell vier Fuß davon abschneiden konnten), und ich bin mir nicht sicher, ob dies nicht der Fall wäre beschädigt durch das Buffeting, als die Atmosphäre dichter wurde. Andererseits bin ich mir auch nicht sicher, ob ein Wiedereintritt mit der Nase zuerst es allzu sehr schützen würde (ich bin kein Luft- und Raumfahrtingenieur, also können Sie das ruhig ignorieren).

Sie können den MVac nicht für die treibende Landung verwenden – er ist für den Vakuumbetrieb optimiert und wäre bei Druck nahe dem Meeresspiegel lächerlich instabil. Sie würden so etwas wie den SuperDraco für eine tatsächliche Landung benötigen.

Ein Fallschirmabwurf gepaart mit ernsthaften stoßdämpfenden Beinen und einem schnellen Retro-Feuer im Sojus-Stil von einem Draco oder SuperDraco könnte funktionieren, aber das ist eine Menge Nutzlastmasse, die geopfert werden muss. Der Anwendungsfall im Orbit ist viel sinnvoller.

Sie rauben immer noch eine nicht unerhebliche Menge an Nutzlastmasse, um diese Beine, Fallschirme und Triebwerke zu bezahlen.

Könnten betankte Oberstufen durch Rückantrieb wieder eintreten?
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