Welche technologischen Durchbrüche waren erforderlich, um Booster-Stufen zu landen?

Die demonstrierte Booster-Landing-Fähigkeit von SpaceX ist nicht das Ergebnis eines Durchbruchs, sondern einer Reihe kleiner inkrementeller Verbesserungen. Die größte Einschränkung war die Finanzierung und der Wille, dies zu verwirklichen.

1966 landeten im Surveyor-Programm unbemannte Raumfahrzeuge mit Raketenantrieb auf dem Mond . Es verwendete (IIRC) drei gepulste Triebwerke mit fester Position, um seine Fluglage und Sinkgeschwindigkeit zu steuern. Dies war ein relativ kleines Raumschiff (ca. 3 m hoch und 300 kg schwer), was die Dinge einfacher macht; Seine Landebeine waren breit, damit es stabil bleiben konnte, wenn es mit der falschen Einstellung aufsetzte. Unter der geringeren Schwerkraft des Mondes sind die Reaktionszeiten etwas weniger kritisch, sodass es als „einfacher Modus“ für autonome Raketenlandungen angesehen werden kann. Es beweist jedoch, dass ein einfacher Radar-Höhenmesser, eine Trägheitsplattform zur Bestimmung der Lage des Raumfahrzeugs und ein einfacher Regelkreis für die Landung ausreichen.

Im Apollo-Programm war die LM -Abstiegsphase nur ein wenig ausgefeilter; Ein drosselbarer Motor auf einer kardanischen Halterung wurde verwendet, um die Richtung und Geschwindigkeit des Abstiegs zu steuern, und kleinere Triebwerke, die zur Steuerung der Fluglage verwendet wurden. Der menschliche Pilot könnte im Prinzip einen Landepunkt bestimmen und dann den Computer den Rest des Fluges bis zur Landung erledigen lassen, aber in der Praxis übernahm jeder Apollo-Kommandant die Kontrolle in einem halbmanuellen Modus in etwa 150 m Höhe und steuerte den Schiffslage und Sinkgeschwindigkeit. Die größte Einschränkung an diesem Punkt war, dass das autonome System nicht wissen konnte, ob es auf ebenem Boden oder auf einem Haufen Felsbrocken landete; Der Radarhöhenmesser war eine einzelne Sonde mit niedriger Auflösung.

Eine Rakete auf der Erde unter sechsmal höherer Schwerkraft zu landen, erfordert eine schnellere Steuerungsreaktion: nicht unbedingt einen viel schnelleren Computer (Sie können mit nur ein paar tausend Operationen pro Sekunde auskommen; die Gleichungen sind nicht so komplex ), aber Dinge wie schnell und präzise Drosselklappen. Ich weiß nicht viel über die Geschichte dort, aber ich kann mir vorstellen, dass so etwas auch in den 1960er Jahren erhältlich war. Auf der anderen Seite ist es bei der Landung auf der Erde viel einfacher, eine große flache Fläche zum Landen zu schaffen!

Wie @Dragongeek erwähnt, flog die UdSSR 1988 das Buran Space Shuttle; Sein einziger Flug war ein unbemannter Start in den Orbit und zurück zur Erde. Es landete im geflügelten, horizontalen Flug und ist daher nicht direkt mit Falcon 9 vergleichbar, obwohl die Lenk- und Steuerungsprobleme ähnlich komplex sind.

1993 demonstrierte das DC-X- Projekt die raketengetriebene, autonome, vertikale Landung eines 12 Meter hohen Fahrzeugs aus 3 km Höhe. DC-X hatte zwar einige Probleme und wurde schließlich aus Geldmangel eingestellt, aber es gab keine Durchbrüche, die gemacht werden mussten. Wie Falcon 9 verwendete DC-X mehrere, kardanisch aufgehängte, stark drosselnde Triebwerke als primäre Flugsteuerung, ergänzt durch aerodynamische Oberflächen und Triebwerke zur Lageregelung, und verwendete GPS in seinem Leit- und Steuersystem.

GPS war natürlich eine große Hilfe bei Präzisionslandungen; Die Falcon-Erststufe kennt ihren eigenen Standort über GPS und steuert sich selbst zu einem bestimmten Punkt im absoluten Raum – dem Zentrum eines Landeplatzes oder ASDS . Ohne GPS, das erstmals Ende der 1980er Jahre eingesetzt wurde, wäre es möglich, ein Funkfeuer am Landepunkt zu platzieren und darauf zu zielen.

Der Schlüssel zum Erfolg von SpaceX war wohl, dass ein ausgefallener wiederverwendbarer Launcher immer noch ein erfolgreicher Verbrauchswerfer sein kann. Durch die Herstellung eines kommerziellen Orbitalwerfers, der praktisch im Verbrauchsmodus geflogen werden kann, und durch das Experimentieren mit Landungen auf Kosten des Nutzlastkunden haben sie die Kosten für die Forschung und Entwicklung von Landungen erheblich kompensiert.

Moderne Computer-Vision-Algorithmen würden es ermöglichen, einen flachen Landeplatz auf einem anderen Planeten oder Mond zu finden und anzuvisieren, was SpaceX möglicherweise für seine ersten Mond- oder Marslandungen tun muss. Diese Technologie ist eine neuere Entwicklung. Es erfordert ziemlich viel Rechenleistung, um eine Geländekarte in Echtzeit aus Kameraansichten abzuleiten, aber das ist für das, was SpaceX heute tut, nicht erforderlich.

Eine technologische Verbesserung, die SpaceX gegenüber der NASA aus der Apollo-Ära hat, ist die Computerleistung, um vollständige Simulationen während des Designs durchzuführen.

Informieren Sie sich über die Entwicklung des Saturn V F-1-Motors – sie mussten sich mit Schwingungen im Kraftstoff- und Verbrennungssystem auseinandersetzen. Damals zündeten sie den Motor tatsächlich auf einem Ständer und riskierten jedes Mal, ihn in die Luft zu sprengen, um Ideen zu testen, die sie mit Rechenschiebern berechneten. Heute würden sie Daten von einem oder wenigen Tests sammeln und dann Computersimulationen durchführen (vielleicht auf dem Desktop, aber NASA und SpaceX haben bei Bedarf Zugriff auf einige kräftige „Mainframe“-Computer). Schließlich brauchen Sie immer noch einen Live-Test, aber nicht annähernd so viele, und mit klugen Leuten, die die Simulationen erstellen, werden die meisten Tests "erfolgreich" sein. Und natürlich können heute ein paar Ingenieure die ganze Mathematik auf einem PC erledigen, anstatt Teams von Ingenieuren mit Rechenschiebern zu benötigen. SpaceX hat weit weniger Ingenieure als die NASA, die während Apollo beschäftigt sind.

Die NASA wurde auch durch die Politik und den Wettbewerb mit den Anforderungen der Air Force behindert – was einige Designentscheidungen im Shuttle-Programm beeinflusste. SpaceX kann so ziemlich machen, was sie wollen, bis Elon kein Geld mehr hat.

Schließlich stehen wir auf den Schultern der Giganten, die vor uns kamen. SpaceX musste die Turbopumpe nicht erfinden, sie mussten sie nur verfeinern. Die Mathematik hinter Raketendüsen ist jetzt gut verstanden, aber Konstruktionsmerkmale können immer verbessert werden. Etc...

Die Antwort von @RusselBorogove verfehlt den wichtigsten technischen Fortschritt, der Landeverstärker ermöglicht, weshalb ich diese Antwort hinzufüge.

Alle angegebenen "Lande"-Beispiele laufen darauf hinaus, das Problem des umgekehrten Pendels + das Führungsproblem zu lösen, wobei keine Einschränkungen für die Steuereingabe angenommen werden. Das Problem ist, wenn Sie tatsächlich einen Booster der Orbitalklasse landen möchten, sind Ihre Einschränkungen schwierig und Sie müssen über Optimalität nachdenken.

LM, Surveyor und DC-X demonstrierten alle Soft Planetary Landings; sie demonstrierten keine optimalen weichen planetaren Landungen. Obwohl diese Probleme einige kleine vorübergehende Ähnlichkeiten aufweisen, sind sie definitiv nicht vergleichbar. Die Lösung des Problems der weichen planetarischen Landung bedeutet, dass Sie Ihre Treibstoffreserven für Worst-Case-Bedingungen dimensionieren müssen. Das Lösen des optimalen weichen Planetenproblems bedeutet, dass Sie Ihre Treibstoffreserven für den besten Fall dimensionieren können. Der erste bringt Sie runter, vorausgesetzt, Sie haben einen vollen Tank, der zweite bringt Sie runter, vorausgesetzt, Sie haben einen im Grunde leeren Tank. Das Lösen des ersten ist trivial; das zweite ist alles andere als.

Der wichtigste Durchbruch, den SpaceX gemacht hat, ist die Entwicklung eines Algorithmus, der das Problem der optimalen weichen Landung löst, das eine garantierte Konvergenz hat (er wird immer eine Lösung innerhalb einer bestimmten Prozessorzeit generieren). Die Optimierung verwendet eine Interior Point Method (IPM), was bedeutet, dass schnellere Prozessoren definitiv helfen. Ich glaube nicht, dass IPM in den 60er Jahren existierte, und ich stelle mir vor, dass die meisten Optimierer auf Mikrochips vor den 2000er Jahren definitiv viel zu rechenintensiv wären (zumal es immer noch ein sehr aktives Forschungsgebiet ist, bessere Optimierer zu finden, die weniger Rechenressourcen verbrauchen). . Sie können einen Booster der 1. Stufe nicht nur mit einem Problemalgorithmus für weiche Landungen landen, da Ihnen der Kraftstoff ausgeht, bevor Sie Ihr Ziel erreichen (selbst mit optimalen Boostern für weiche Landungen ist vor der Landung immer noch kein Kraftstoff mehr vorhanden).

Knifflige Details des Algorithmus von SpaceX zur Lösung des optimalen weichen Planetenproblems.Raketentriebwerke haben eine Begrenzung, wie weit sie gedrosselt werden können (viele Triebwerke können nur auf 40 % heruntergefahren werden). Dies ist als nicht-konvexe Einschränkung bekannt, die das gesamte optimale Problem nicht-konvex macht. Wie alle Optimierungsexperten wissen, kann man bei einem nicht-konvexen Problem kein globales Minimum beweisen. SpaceX (obwohl eigentlich Lars Blakmore, der für die Landungen bei SpaceX verantwortlich ist) hat etwas namens Lossless Convexification erfunden. Dieser Algorithmus nimmt ein niedrigdimensionales nicht-konvexes Problem und stellt es in eine höhere Dimension, wodurch das Problem in der höheren Dimension konvex wird, wo eine Interior-Point-Methode verwendet wird, um das globale Optimum zu finden. Die globale optimale Lösung in der hohen Dimension wird dann reduziert und auf das oringale nicht-konvexe Problem angewendet. Lesen Sie dieses Papierwenn Sie die verlustfreie Konvexifikation des optimalen Landeproblems besser verstehen wollen.

Nebenbei bemerkt, SpaceX hat Jahre damit verbracht, diese Algorithmen mit dem Grashüpfer-Testfahrzeug zu entwickeln. Eine Gruppe talentierter Leute brauchte mehrere Jahre, um herauszufinden, wie das Problem der Boosterlandung gelöst werden kann.

Ich möchte auch hinzufügen, dass es während des Tests nicht genug Autorität für die Einstellung gab, nur mit Stickstoffgasstößen. Erst als SpaceX Gridfins hinzufügte, begannen Landungen zu funktionieren. Gridfins sind großartig, weil sie eine Lagekontrolle bieten können, ohne Masse wie Gasstöße zu verwenden.

TL:DR SpaceX hat das Optimal Soft Planetary Landing Problem gelöst, das viel schwieriger zu lösen ist als nur das Soft Planetary Landing Problem, das der eigentliche technische Durchbruch + Gridfins war.

Ergänzend zu Russell Borogoves Antwort würde ich auch zwei zusätzliche Punkte argumentieren:

• Auf der technischen Seite wurden die Motoren im Hinblick auf angetriebene Landungen entwickelt. Sie können mit der notwendigen Hardware ausgestattet werden, um während des Fluges problemlos neu gestartet zu werden. Außerdem war die Falcon 9 die erste Rakete, die 9 kleine Motoren verwendete, was eine angetriebene Landung mit nur einem oder drei Motoren ermöglichte, die mit hoher Effizienz liefen (je nach Konfiguration).

• Auch die Wirtschaft spielt eine große Rolle. SpaceX bietet Starts so billig an, dass Kunden bereit sind, mit einer Rakete zu fliegen, die nicht ihren gesamten Treibstoff für ihre Mission verbraucht. Sie wiederum können dies tun, weil sie die Kosten intern erheblich gesenkt haben. Andererseits war das Apollo-Programm sowie andere große Projekte wie SLS ohnehin schon ziemlich teuer. Können Sie sich vorstellen, was passieren würde, wenn jemand vorschlagen würde, dass SLS auf Kosten des Steuerzahlers für eine Funktion, die sich auszahlen kann oder nicht, 30 % größer als für die Nutzlastbereitstellung erforderlich ist?

  Dasselbe gilt für private Unternehmen wie ULA. Die Raumfahrt ist im Vergleich zu Boeing keine so große Sparte, und solange sie dasselbe einfache Design immer wieder verkaufen können, müssen sie kein eigenes Entwicklungsgeld hineinstecken.

  Dies wird auch durch den Trugschluss von Feststoffraketen-Boostern veranschaulicht. SRBs sind unglaublich billig zu entwickeln und einige Male zu verwenden, aber langfristig sehr teuer - die Booster auf dem Shuttle kosten etwa 50 Millionen US-Dollar pro Start. Ein Atlas V hat bis zu 5 Booster zu je 10 Millionen US-Dollar und kostet fast so viel wie ein vollständig wiederverwendbarer Falcon 9. Diese Designs wurden jedoch ausgewählt, da die Vorabkosten gering waren und der Kunde bereit ist, diese bei jedem Start zu bezahlen.

Welche technologischen Durchbrüche waren erforderlich, um Raketen zu landen?

Fallschirme.

Und sie existierten seit dem 19. Jahrhundert.

Die anderen Antworten beziehen sich auf die angetriebene, vertikale Landung von Booster-Stufen, aber die Landung von Raketen mit Fallschirmen wurde seit Beginn des Weltraumrennens durchgeführt. Ich denke, dass Fallschirme hier eine Erwähnung verdienen, also lassen Sie mich https://www.nasa.gov/missions/research/f_sounding.html zitieren :

Seit 1959 verwendet die von der NASA geförderte weltraum- und erdwissenschaftliche Forschung Höhenforschungsraketen, um Instrumente [...]

In den meisten Fällen wird die Nutzlast, nachdem sie wieder in die Atmosphäre eingetreten ist, mit einem Fallschirm sanft zur Erde gebracht und dann geborgen. Durch die Rückgewinnung von Teilen der Nutzlast kann sie wiederaufbereitet und wieder geflogen werden, was zu enormen Einsparungen führt.

Die Wiederherstellung von Booster-Stufen wurde ebenfalls durchgeführt, bis zu einem gewissen Grad an Erfolg. Lassen Sie mich aus https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/5.pdf zitieren :

Das erste Decelerator-Subsystem, das eine gruppierte Baugruppe der drei Hauptfallschirme, eine Drogue- und Pilot-Fallschirmbaugruppe sowie Wägezellen und Armaturen umfasste, traf im November 1978 ein, um in das erste montierte SRB eingebaut zu werden.

[...]

Nach dem erfolgreichen Start von STS-1 wurden während der Bewertung nach dem Flug drei wesentliche Probleme im Zusammenhang mit der Wiederverwendbarkeit der SRB-Hardware identifiziert: die strukturelle Integrität des hinteren Schürzenrings, die internen Wiedereintrittstemperaturen der hinteren Schürze und das Eindringen von Salzwasser in elektrische Kabel.

[...]

Der erste Flug, der geplant war, um überholte Hardware (außer Fallschirmen) zu fliegen, war STS-7 mit STS-3-Hardware. Die Fallschirme waren für die Wiederbefeuerung auf STS-4 geplant.

Das NASA-Shuttle-Programm war also bereits 1983 mit der Landung, Bergung und Überholung von Booster-Stufen beschäftigt (vielleicht sogar schon früher, ich habe nicht die gesamte Dokumentation überprüft). Die Technik war schon da.

Es ist erwähnenswert, dass die geborgenen Stufen von SpaceX nach einer Landung ebenfalls einer Renovierung unterzogen werden. Aber es sollte offensichtlich sein, dass eine Fallschirmlandung mehr Schaden (und höhere Renovierungskosten und weniger wiederverwendbare überlebende Teile) bedeutet als eine angetriebene, vertikale, kontrollierte Landung.

Ich möchte auch die Ansari X-PRIZE Lunar Landing Challenge und die Lunar Lander Challenge erwähnen . Die Entwicklungen dort waren maßgeblich für die Feinsteuerung von motorisierten Auf- und Abstiegen.

In einer anderen Antwort macht Russell Borogove deutlich, dass für die Landung kein technologischer Durchbruch erforderlich ist, sondern nur eine schrittweise Verbesserung.

Ein Großteil der Weltraumtechnologie blieb bis Mitte 1960 gleich, aber ein sehr kleiner Punkt wurde in einer Art Reverse Engineering hinzugefügt, um Raketen wieder auf der Oberfläche oder im Ozean landen zu lassen.

**bei 0:02/0:08: "Lateral Thrust" wird eingesetzt, wodurch es nach rechts gedreht wird.

bei 0:03/0:08 : Es wird daran gehindert, weiter nach rechts zu gehen.

um 0:04/0:08: Voller Schub wurde eingeführt, um ihm die richtige Geschwindigkeit für die Richtung nach rechts zu geben.**

Jetzt wurde diese Technik Ende 2010 veröffentlicht und diese Praktiken werden von Russland seit Ende 2002 oder 2003 angewandt.

Elon Musk und SpaceX haben „seitliche Stöße“ von Russen in ihre Landeraketen wiederverwendet und nach mehreren Tests landete die Rakete mit nur einem kleinen Schritt in einer Reverse-Engineering-Manier zurück.

Weiter ging Russell Borogove auf Computer Vision ein. Aber wirklich gibt es keinen Durchbruch und 100% Kopieren/Einfügen von verwandten Disziplinen von Raketen und Flugkörpern.

Die Kontrolltheorie hat keine tiefgreifenden Anwendungen in Elon Musks Spacex, aber was sie tun, ist Kopieren / Einfügen von verbündeten oder Kerndisziplinen anderer Länder und Experimente, um den Erfolg in der Öffentlichkeit zu halten, und was auch immer sie der Öffentlichkeit zeigen, wurde von anderen Nationen gut erprobt a viel früher.

Ich habe gelesen, dass die ersten Stufen von Soyez-Boostern so robust sind, dass sie manchmal nach einer Bruchlandung auf dem Boden wiederverwendet werden können. Wenn das richtig ist, war und ist eine sehr einfache Möglichkeit, wiederverwendbare Trägerraketen herzustellen, einfach, sie zu überbauen und viel stärker als nötig zu machen, wodurch sie weniger effizient werden und nicht als schwere Nutzlasten starten können, aber mit geringem Aufwand wiederverwendet werden können.

Eine andere Methode, die seit langem verwendet wird, sind Fallschirme. Die Kombination von Fallschirmen mit Robustheit hätte möglicherweise schon früh zu wiederverwendbaren Boosterstufen geführt.

Die Pegasus-Trägerraketen werden von Flugzeugen aus gestartet, wobei der erste Start 1990 stattfand, und kleine Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn befördern.

https://en.wikipedia.org/wiki/Pegasus_(Rakete) 1

https://www.nbcnews.com/mach/innovation/billionaire-rolls-out-ginormous-rocket-launching-airplane-n766996 2

Flugzeuge sind natürlich normalerweise für viele Flüge gedacht, daher zählen diese Flugzeuge zu den wiederverwendbaren ersten Stufen.

Ein Rockoon ist eine kleine Höhenforschungsrakete, die von einem Wetterballon gestartet wird. Natürlich werden die Ballons nicht geborgen und wiederverwendet, aber Wetterballons sind billig. Rockoons wurden bereits 1955 auf den Markt gebracht.

In jüngerer Zeit hat das Unternehmen JP Aerospace Rockoons als Teil seiner Weltraumzugangspläne entwickelt und eingesetzt.[6] Darüber hinaus haben die Iowa State University und die Purdue University (Purdue Orbital) Programme zur Entwicklung von Rockoons[7][8] gestartet, und kürzlich wurde von Leo Aerospace mit Sitz in Los Angeles und einem rumänischen Raumfahrtunternehmen, ARCASPACE, bedeutende Arbeit geleistet. Das spanische Unternehmen zero2infinity plant, 2018 eine ringförmige Rakete aus einem Ballon namens Bloostar zu starten, um Mikrosatelliten in eine erdnahe Umlaufbahn zu befördern. Das britische Basisunternehmen B2Space entwickelt das Konzept, um kleine Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen [9]. Stofiel Aerospace strebt auch an, Cubesats mit ihrem Hermes Rockoon System auf den Markt zu bringen.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rockoon 3

Beachten Sie, dass ein Luftschiff gesteuert werden kann, obwohl kein Luftschiff die Höhe erreicht hat, die Ballons haben.

Eine lange Spur auf dem Boden mit einem Raketenschlitten könnte ein Raketenflugzeug beschleunigen und somit einem Raketenflugzeug einen Vorsprung beim Erreichen der Umlaufgeschwindigkeit verschaffen. Somit könnten die Strecke und der Raketenschlitten als wiederverwendbare erste Stufe angesehen werden.

Kleinere Raketenschlitten wurden bereits 1954 in den USA zum Testen von Ausrüstung verwendet, und es gibt Gerüchte, dass die Deutschen am 16. März 1945 einen Raketenschlitten benutzten, um eine Rakete zu starten.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_sled 4

So erscheint es möglich, dass routinemäßig wiederverwendbare Boosterstufen schon vor Jahrzehnten entwickelt werden konnten, wenn der Wille dazu vorhanden gewesen wäre.