Warum wurden keine wiederverwendbaren Starttechnologien entwickelt?

Der Massenanteil und die Raketengleichung von Ziolkowski stellen große Hürden dar.

Mf oder das Verhältnis von Treibmittel zu Trockenmasse ist gegeben durch:

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

Um aus einem steilen Gravitationsbrunnen herauszuklettern, brauchen wir einen Treibsatz mit hohem Schub. Also benutzen wir chemische Raketen. Das$V_{exhaust}$für die chemischen Treibmittel mit höherem ISP beträgt etwa 4 km/s. Delta V, um nach LEO zu gelangen, beträgt etwa 9 km/s.

Diese Art von Delta V in Kombination mit Tsiolkovskys Raketengleichung bedeutet etwa 90 % Treibmittel und 10 % Trockenmasse.

Jetzt muss ein Teil des Trockenmassenbudgets in Raketentriebwerke, Struktur, Avionik, Energiequelle und Nutzlast fließen. Wenn also das Delta-V-Budget steigt, bleiben uns Treibstofftanks übrig, die ungefähr so ​​dürftig sind wie eine Aluminium-Cola-Dose.

Shuttle-Panzerfoto von der NASA

Steigern Sie das Delta-V-Budget mehr und Sie brauchen Kraftstofftankwände aus Zellophan und Mondstrahlen.

Eine der Möglichkeiten, die von der Raketengleichung vorgeschriebenen Massenanteile zu erreichen, besteht darin, unterwegs Trockenmasse wegzuwerfen: verbrauchbare mehrstufige Raketen.

Und dann gibt es Wiedereintritt. Jetzt haben wir also ein Raumschiff, das ungefähr so ​​robust ist wie eine Eierschale, die mit 8 km/s wieder in die Erdatmosphäre eintritt. Der Wiedereintritt setzt das Schiff sehr extremen Bedingungen aus: Temperaturen von Tausenden von Grad, dynamischer Druck, der einen Hurrikan der Klasse 5 wie eine sanfte Brise aussehen lässt.

Ich gebe SpaceX mehr als nur Chancen, dass sie eine Booster-Stufe wiederverwenden werden. Wenn die Booster-Stufe ein Delta-V-Budget von nur 4 oder 5 km/s hat, ermöglicht dies eine stabilere Struktur. Außerdem wird der Booster nicht mit Umlaufgeschwindigkeit wieder in die Atmosphäre eintreten.

Die Wiederverwendung einer Kapsel könnte ebenfalls machbar sein. Eine Kapsel tritt mit Umlaufgeschwindigkeit wieder in die Atmosphäre ein. Aber es hat ein niedriges Delta-V-Budget. Das niedrigere Delta-V-Budget ermöglicht einen Massenanteil, der eine robuste Struktur und ein thermisches Schutzsystem (TPS) ermöglicht.

Ich gebe weniger als gerade Chancen, dass die 2. Stufe wiederverwendet werden kann. Die 2. Etappe muss etwa 8 km/s liefern und mit 8 km/s wieder einfahren.

Während ich bessere als gerade Chancen gebe, dass die SpaceX-Kapsel und der Booster wiederverwendet werden können, gebe ich etwas weniger als gerade Chancen, dass diese wirtschaftlich wiederverwendet werden können . Das Space Shuttle hat einige Teile wiederverwendet, aber die Einsparungen wurden größtenteils in Renovierungskosten aufgezehrt. Wie hoch werden die Kosten für die Sanierung von SpaceX sein? das bleibt abzuwarten.

Der Hauptgrund ist, dass es viel Geschwindigkeit braucht, um ein Objekt in die Umlaufbahn zu bringen. Beispielsweise beträgt die Orbitalgeschwindigkeit bei LEO etwa 7,8 km/s. Dies bedeutet zwangsläufig, dass sich die letzte Stufe der Rakete – diejenige, die den Satelliten tatsächlich in seine beabsichtigte Umlaufbahn bringt – mit nahezu Umlaufgeschwindigkeit bewegt. Wenn Sie diese Phase wiederherstellen möchten, müssen Sie sie wieder verlangsamenSo kann es wieder in die Atmosphäre eintreten, was am wirtschaftlichsten durch eine Kombination aus Kraftstoff für eine Wiedereintrittsverbrennung, einem Hitzeschild zum Überleben des Wiedereintritts und einem Fallschirm oder mehr Kraftstoff für eine sanfte Landung erfolgen kann. Das Problem ist, dass all dies ein erhebliches Gewicht hinzufügt. Anstatt also nur die Nutzlast in die Umlaufbahn zu bringen, starten Sie jetzt die Nutzlast, den Treibstoff, den Hitzeschild und einen Fallschirm in die Umlaufbahn. Aus diesem Grund wird es nicht bald praktikabel sein, die oberen Stufen zu bergen.

Es wurde vorgeschlagen, die Space-Shuttle-Panzer wiederzuverwenden, indem man sie in die Umlaufbahn befördert. Dies wäre viel billiger gewesen, als sie am Boden wiederzuverwenden, da der zusätzliche Treibstoff, der erforderlich wäre, um sie in eine sichere Umlaufbahn zu bringen, viel weniger schwer gewesen wäre als der Treibstoff, der Hitzeschild und der Fallschirm, um sie zurück zur Erdoberfläche zu bringen.

Die Bergung und Wiederverwendung niedrigerer Stufen ist praktischer, da sie sich nicht annähernd so schnell bewegen und sich möglicherweise sogar noch in der Atmosphäre befinden, was Fallschirme sehr praktisch macht. Je weniger Delta-V für die Wiederherstellung erforderlich ist, desto billiger und praktischer ist es. Aus diesem Grund wurden die Trägerraketen des Space Shuttles geborgen. Dennoch ist die Wiederherstellung der ersten Stufe nicht ohne ernsthafte Herausforderungen, wie die Übungen von SpaceX zur Wiederherstellung der ersten Stufe zeigen:

Nach dem Booster-Loft der zweiten Stufe und der Nutzlast auf ihrer Umlaufbahn führte SpaceX einen erfolgreichen Flugtest mit der verbrauchten ersten Stufe durch. Die erste Stufe wurde erfolgreich von der Hyperschallgeschwindigkeit in der oberen Atmosphäre abgebremst, führte einen erfolgreichen Wiedereintritt, eine Landezündung, den Einsatz ihrer Landebeine durch und landete auf der Meeresoberfläche. Die erste Stufe wurde nicht zur Analyse geborgen, da die Rumpfintegrität verletzt wurde, entweder bei der Landung oder beim anschließenden "Kippen und Aufschlagen". Die Ergebnisse der Analyse nach der Landung zeigten, dass die Rumpfintegrität verloren ging, als der 46 Meter (150 Fuß) hohe Trägerraketenkörper nach der Landung wie geplant horizontal auf die Meeresoberfläche fiel.

- Wikipedia

Es ist nicht einfach, eine Struktur so zu konstruieren, dass sie sowohl den vertikalen Schwerkraft-/Beschleunigungskräften als auch sehr unterschiedlichen Kräften standhält, die beim Umkippen auf die Seite auftreten. Selbst mit einem Fallschirm kann man nicht einfach eine 15-stöckige Rakete ins Meer werfen und auf das Beste hoffen. Dies ist einer der Gründe, warum SpaceX versucht, die erste Stufe aufrecht zu landen, da dies viel billiger wäre, als die zusätzlichen strukturellen Verstärkungen hinzuzufügen, die erforderlich sind, damit eine so große Rakete dem Umkippen ins Wasser standhält.

Trotzdem gibt es im Prinzip keinen Grund, warum eine vollständig wiederverwendbare Rakete nicht gebaut werden kann, die Rakete muss nur deutlich größer (in Bezug auf Treibstoff) und komplexer sein als die entsprechende Einwegrakete, bisher war sie nicht wirtschaftlich solche größeren und komplexeren Raketen herzustellen.