Warum verwendet der wiederverwendbare Launcher von SpaceX eine vertikale statt einer horizontalen Landung?

In zwei Worten: Punktlandungen.

Allen Entscheidungen von SpaceX liegt der Wunsch zugrunde, zu anderen Planeten, insbesondere zum Mars, zu fliegen. Für die Erforschung des Sonnensystems hält Elon Musk Präzisionslandungen für äußerst wichtig. Das Erfordernis der Präzisionslandung bedeutet, dass Sie das Raumfahrzeug verlangsamen möchten, bevor Sie die Oberfläche erreichen, die auf Flügel oder Raketen zeigt. Leider hat nicht jeder Mond/Planet im Sonnensystem eine Atmosphäre, die den Flug (oder zumindest den Flug schwerer Flugzeuge mit angemessener Geschwindigkeit) unterstützen kann, was Raketen zu einer attraktiveren Option macht.

Um zu hören, wie Musk dies in seinen eigenen Worten diskutiert, sehen Sie sich seinen Vortrag auf dem MIT AeroAstro Centennial Symposium im Oktober 2014 an. Er diskutiert Flügel vs. Raketen um 4:37 und SpaceX vs. Boeing (Raketen vs. Airbags) um 48:15 :

Es ist unnötig, etwas anderes als die Raketen zu verwenden. Aus dem gleichen Grund verwendet ein Helikopter seinen Motor und Rotor, um zu landen. Es wäre ein bisschen lächerlich, einen Hubschrauber mit Fallschirmen und Airbags zu landen, oder?

Die Boeing CST-100 wird Fallschirme und Airbags zur Landung verwenden, und Elon Musk machte sich in einem Interview darüber lustig und sagte, dass die Landung im Falltest wie ein Absturz aussah und dass dies nicht der Weg ist, ein Raumschiff im 21. Jahrhundert zu landen:

Die vertikale raketenbetriebene Landung ist zuverlässiger als Fallschirme und fügt nur Treibstoff hinzu, keine zusätzliche Hardwaremasse. Es spart auch die Landebahn und bietet absolute Flexibilität, jederzeit und überall zu landen, auch auf luftlosen Körpern. Es ist offensichtlich der beste Weg, dies zu tun. Das russische Baikal -Konzept treibt das Konzept der horizontalen Landung auf die Spitze, denke ich. Hinzufügen von Düsentriebwerken, Flügeln, Fahrwerken und so weiter zu den Raketenverstärkern. Es ist, als würde man einen Booster in ein gewöhnliches Flugzeug einbauen.

Um den Startzyklus zu verkürzen, könnte die gelandete erste Stufe vielleicht mit einem Hubschrauber vom Lastkahn zur Landung gehoben werden? Der Mi-26 kann 20 Tonnen 800 Kilometer transportieren; Das Trockengewicht der ersten Stufe von Falcon 9 beträgt 16 Tonnen.

SpaceX hat versucht , Fallschirme für die Landung der ersten Stufe zu verwenden, war aber mit den Ergebnissen nicht zufrieden.
Eine Landung mit Airbags ist komplizierter: Sie müssen an mindestens zwei Stellen (oben und unten auf der Bühne) Fallschirme befestigen. Sie haben immer noch keine genaue Kontrolle über den Landeort. Sie müssen auf einem Lastkahn landen, um zu verhindern, dass die Bühne in Meerwasser eingeweicht wird (was viel Zeit für die Reinigung der Bühne bedeuten würde). Eine Schiffsanlegestelle erfordert eine genaue Kontrolle.
Eine horizontale Landung bedeutet auch, dass Sie mehr Platz für die Landung benötigen: Bei einer vertikalen Landung beträgt die Grundfläche 2x die Länge der Landebeine, bei einer horizontalen Landung benötigen Sie eine Fläche, die mindestens so lang ist wie die Bühne.
Airbags wurden noch nie für Landungen dieser Größe verwendet: Die größten Airbags, die ich kenne, waren für die Mars-Rover Spirit und Opportunity. Für Curiosity wechselte die NASA zu einer angetriebenen Landung, weil sie nicht glaubten, dass sie Airbags zum Laufen bringen könnten. Die erste Stufe von Falcon 9 ist mindestens 10x schwerer als Curiosity.

Zusätzlich zu den Vorteilen, die andere erwähnt haben ...

Vor langer Zeit kommentierte der Leiter des inzwischen längst eingestellten ROTRON-Projekts, dass "Flügel die teuerste Form der Bergung sind" - und erklärte dann, dass sie durch die Verwendung eines "raketengetriebenen Hubschraubers" für den Teil des Aufstiegs in der Atmosphäre effektiv einen Satz lieferten von Flügeln in die Umlaufbahn ohne Nettoenergiekosten, damit sie sie für den Abstieg verwenden könnten. Wenn Ihre Flügel „mitfahren“, ohne sich zu „bezahlen“, wie es bei ROTRON der Fall war, stellen sie eine Nettobelastung für das Massenbudget dar. Die Wiederherstellung der 1. Stufe erfordert nicht, dass Sie Ihren Abstiegsmechanismus in den Orbit bringen, ist aber immer noch mit Kosten für die orbitierbare Nutzlast verbunden. Angesichts der Tatsache, dass die umlaufende Nutzlast als Prozentsatz der Startmasse typischerweise im Bereich von 1% bis 5% liegt, hilft jedes eingesparte kg. (Jedes gesparte Pfund hilft auch :-) ).

Die Kosten für die Verwendung von Kraftstoff anstelle von Flügeln, Fallschirmen, Airbags usw. betragen etwas mehr Tankkapazität, die erforderliche Kraftstoffmasse und möglicherweise eine zusätzliche Motorzuverlässigkeit und -lebensdauer.
Diejenigen, die diesen Weg gegangen sind, haben immer behauptet, dass der Nutzen die Kosten überwiegt.
Aber dann würden sie :-).

Die Gewinne sind prozentuale Nutzlast plus all die Dinge, die andere aufgelistet haben.

Raketen, die durch eine Reihe von Retro-Verbrennungen vertikal zurücklanden, sind ein kritischer Punkt im Wiederverwendbarkeitsprogramm von SpaceX. Darüber hinaus basiert ihr bemanntes Raumfahrtprogramm auf dem Konzept der punktgenauen Ansteuerung. Eine Reihe anderer Unternehmen arbeiten an der treibenden atmosphärischen Rückkehr. Alles, was sie für den endgültigen Abstieg verwenden, ist die gleiche Steuerung wie beim Aufstieg – vektorisiertes Vertrauen, normalerweise durch einen kardanisch aufgehängten Motor. Diese Anordnung war in den alten Sci-Fi-Filmen sehr beliebt – die Landung ist einfach Aufstieg im Rückwärtsgang.

Der praktische Grund, einer solchen intuitiven Idee zu folgen, ist die attraktive Gelegenheit, die vorhandenen Raketen mit minimalen Modifikationen wiederherzustellen.

Die Führung von SpaceX war zuversichtlich, dass die zuverlässige Bergung der Raketentriebwerke nach der Demonstration des kontrollierbaren Schwebens und Sinkflugs nur noch einen Schritt entfernt ist. In der Praxis hat es sich als schwieriger erwiesen. Die Testflüge des wiederverwendbaren Boosters in einer realistischeren Umgebung – Wiedereintritt aus der suborbitalen Flugbahn – offenbarten eine Reihe von Problemen. Bedeutende Änderungen des ursprünglichen Konzepts wurden vorgenommen, aber der Erfolg bleibt aus.

von der Defa 1960 Sci-Fi-Umzug

Zeitgenössische Trägerraketen sind streng auf axiale Spannungen beim vertikalen Start optimiert. Obwohl jeder Versuch, ein System, das für einen bestimmten Zweck (vertikaler Aufstieg) entwickelt und verfeinert wurde, für ein völlig anderes (vertikaler Abstieg) zu verwenden, mit Sicherheit erneut mit den grundlegenden Problemen konfrontiert wird, die bereits während der Entwicklung des primären Gebrauchs gelöst wurden. Um eine punktgenaue vertikale Landung der Raketen zu ermöglichen, die zum Fliegen gegen ein Ziel oder zum Starten eines Raumfahrzeugs ausgelegt sind, müssen die grundlegenden Probleme des Antriebsflugs überdacht und möglicherweise neu gelöst werden, um den neu entstandenen Anforderungen gerecht zu werden.

Der Streit zwischen horizontaler und vertikaler Landung für wiederverwendbare Fahrzeuge wurde zwischen dem bekannten Weltraumhistoriker Henry Spencer und Mitchell Burnside Clapp geführt, die sowohl an den Programmen DC-X als auch X-33 gearbeitet haben:

http://yarchive.net/space/launchers/horizontal_vs_vertical_landing.html

Höchstwahrscheinlich stimmt Musk den Vorteilen der vertikalen Landung zu, da nur minimale zusätzliche Modifikationen an der Rakete erforderlich sind.