Wie plant SpaceX, die Wiederverwendbarkeit der *zweiten* Phase von Falcon 9 zu erreichen?

Update 08. April 2017: Elon Musk twitterte einen Hinweis darauf, dass sie die Möglichkeit einer Wiederherstellung der zweiten Stufe erneut prüfen, daher ist diese Frage erneut relevant, und die Details der neuen Lösung können sich von der alten unterscheiden.

Die Verkleidung kostet ~ 5 Millionen US-Dollar, aber das sollte dieses Jahr wiederverwendbar sein. Ich bin ziemlich zuversichtlich, dass wir bis Ende nächsten Jahres auch die obere Stufe wiederverwenden können, um 100 % zu erreichen.

SpaceX will den Falcon 9 komplett wiederverwendbar machen. Sie machen deutliche, wenn auch langsame Fortschritte in Richtung Wiederherstellung der ersten Stufe durch motorisierte Landung, die mehrere Funktionen erfordert:

  • Kaltgas-Triebwerke, um die Stufe nach der Trennung der zweiten Stufe mit dem Heck zuerst zu drehen
  • Aerodynamische Steuerflächen am oberen Ende der Bühne zur Flugbahnkontrolle während des Landeanflugs
  • Starkes Drosseln eines einzelnen Haupttriebwerks, um einen ausreichend niedrigen TWR für eine kontrollierte Landung zu erhalten
  • Landebeine

Die obere Stufe wird in einer viel schnelleren Flugbahn kommen, also müssen sie einen vollständigen Hitzeschild an der Vorderseite der Stufe hinzufügen.

Auf den ersten Blick scheint die viel kürzere zweite Stufe kürzere Beine zu benötigen, weil ihr Schwerpunkt niedriger wäre, aber die Oberstufenversion des Merlin-Triebwerks hat eine sehr lange Düse, die strahlungsgekühlt ist – das heißt freiliegend, nicht verhüllt, also müssen die Beine ziemlich hoch montiert und ziemlich lang (und damit schwer) sein.

Das größte Problem scheint jedoch die Motordrosselung zu sein. Die leere obere Stufe wiegt ungefähr ein Viertel dessen, was die erste Stufe tut, aber wird fast die gleiche Schubkraft abfeuern.

Werden sie versuchen, tiefer zu drosseln?

Werden sie den gleichen Hover-Slam-Trick wie in der ersten Etappe machen, nur in einem viel kürzeren Zeitrahmen?

Werden sie auf der zweiten Stufe 2 oder 3 Kestrels neben dem Merlin hinzufügen und sanft darauf landen?

Fallschirme? Airbags? Wirklich große Pogo-Sticks?

Dieser letzte Vorschlag erinnert mich an einige meiner Minmus-Lander in KSP ...

Antworten (3)

Alter/ursprünglicher Vorschlag für die Wiederverwendung in der zweiten Stufe

Alter/ursprünglicher Vorschlag für die Wiederverwendung in der zweiten Stufe

Die Wiederverwendung der zweiten Stufe für Falcon 9 war eine geplante Funktion, die eingestellt wurde. In diesem alten Rendering (zeigt einen Falcon 9v1.0 mit quadratischem Motorblock) sehen Sie einen Wiederverwendungsplan, der dem von Ihnen beschriebenen sehr ähnlich ist. Die Düse der zweiten Stufe würde sich in die Tankstruktur zurückziehen, kleine Beine würden ausfahren und kleinere Triebwerke (Kestrel, Draco?) würden die eigentliche Landung durchführen.

Die Wiederverwendung in der zweiten Stufe ist jedoch schwierig. Die erste Stufe ist ein massives Tier, das den größten Teil des schweren Transports in den Orbit übernimmt. Die zweite Stufe liefert jedoch die meiste Geschwindigkeit. Sobald die zweite Stufe Dragon in die Umlaufbahn bringt, müsste sie über genügend Treibstoff verfügen, um die Atmosphäre zu verlassen / zu durchschneiden, und dann einen schweren Hitzeschild verwenden, um ihre Geschwindigkeit beim Wiedereintritt zu verringern. All diese Dinge erhöhen das Gewicht.

Aufgrund der Art der Inszenierung und der Raketengleichung wird ungefähr jedes 4-Pfund-Eigengewicht auf der ersten Stufe 1-Pfund an Nutzlast wegnehmen. Auf der zweiten Stufe handelt es sich um eine 1:1-Umsetzung. Das gesamte zusätzliche Gewicht für die Wiederverwendung (Hitzeschild, Beine, zusätzlicher Kraftstoff, Maschinen zum Zurückziehen der Düse) verringert die Gesamtnutzlastmasse.

SpaceX hat im Vergleich zu den meisten Startanbietern bereits eine ineffiziente Oberstufe. Ihre Verwendung von Kerolox auf beiden Stufen vereinfacht das Design und das Tanken, bedeutet aber, dass die Isp der zweiten Stufe viel schlechter ist als eine kryogene Wasserstoffstufe. Warum hat SpaceX seine Meinung geändert? Elon Musk erklärte dies auf der MIT Aero/Astro Centennial . Auf die Frage nach der Wiederverwendung in der zweiten Stufe

Die Fahrzeuge der nächsten Generation nach der Falcon-Architektur werden auf vollständige Wiederverwendbarkeit ausgelegt sein. Ich erwarte nicht, dass die Falcon 9 eine wiederverwendbare Oberstufe hat, nur weil bei einem kerosinbasierten System der spezifische Impuls dafür nicht wirklich hoch genug ist, und viele der Missionen, die wir für kommerzielle Satelliten durchführen Einsatz sind geostationäre Missionen. Wir gehen also wirklich sehr weit hinaus. Dies sind hohe Delta-GeschwindigkeitenMissionen, also ist es wirklich schwierig zu versuchen, etwas davon zurückzubekommen. Aber mit der nächsten Generation von Fahrzeugen, die ein unterkühltes Methan/Sauerstoff-System sein wird, bei dem die Treibmittel nahe an ihre Gefriertemperatur gekühlt werden, um die Dichte zu erhöhen, könnten wir definitiv eine vollständige Wiederverwendbarkeit erreichen – und dieses System ist dafür vorgesehen ein vollständig wiederverwendbares Mars-Transportsystem sein. Also nicht nur in eine niedrige Erdumlaufbahn, sondern bis zum Mars und zurück, bei voller Wiederverwendbarkeit. [Innerhalb von 3 Jahren?] Ha. Ich bin ein optimistischer Mensch, aber ich denke, dass wir einige Testflüge im Zeitrahmen von fünf oder sechs Jahren erwarten können. Aber wir sprechen von einem viel größeren Fahrzeug, und wir werden auch auf eine neue Generation aufrüsten – einen härteren Motorzyklus, der eine gestufte Vollstrom-Verbrennung ist. Was wir gerade haben, ist ein Open-Cycle-Motor. Im Augenblick,

Falcon 9 wird das nicht schaffen, aber der BFR/MCT wird es tun

Falcon 9 wird das nicht schaffen, aber der BFR/MCT wird es tun

Könnte die F9-Oberstufe eine zweite Verwendung im Weltraum haben? Die oberen Stufen (mit einigen Extras, nehme ich an) von Chang'e 2 und 5 gingen zu Lagrange-Punkten und um den Mond herum und an einem Asteroiden vorbei, nachdem sie die Hauptmission abgeliefert hatten. Oder ist es nicht für eine solche Lebensdauer und Flexibilität ausgelegt, und was auch immer Interessantes von GEO getan werden könnte?
Gute Antwort. Sieht so aus, als ob die F9-Seite von Wikipedia den Nachrichten weit hinterherhinkt.
@localFluff nicht ohne umfangreiche Modifikationen. Die zweite Stufe ist batteriebegrenzt und hat gerade genug Leistung, um die GTO-Injektion zu erreichen, bevor sie stirbt. SpaceX könnte ausfahrbare Solarmodule oder zusätzliche Batterien hinzufügen, aber es erhöht das Gewicht. Da die 2. Stufe Kerolox ist, bleibt von den meisten Missionsprofilen nicht viel Delta-V übrig. Es ist besser, stattdessen eine 3. Stufe als Teil der Nutzlast zu haben.
Tatsächlich ist es sehr einfach, etwas aus einer Umlaufbahn mit niedriger Periapsis zu entfernen, insbesondere mit hoher Apoapsis, und verbraucht sehr wenig Treibstoff. Nun, damit es die Rentry überlebt ... das ist eine echte Herausforderung.
Ich denke, du berücksichtigst SF nicht. Mays Beobachtung, aber Sie berücksichtigen auch nicht, dass die Falcon 9-Motoren ersetzt / auf die D-Variante aufgerüstet werden sollen, die ihnen ... Ich denke, die Bedingungen waren ... mehr als genug, um dies zu tun. Während Sie in der Aufstiegsphase das Recht haben, die "Kosten der Dinge" nicht zu berücksichtigen, müssen Sie KEINEN Hochgeschwindigkeitsabstieg durch die Atmosphäre durchführen, wenn Sie den Treibstoff für eine Überschall-Retro-Verbrennung haben. Ich kann die Geschwindigkeit auf ... ein handhabbares Niveau verlangsamen.

Eine Möglichkeit, die helfen könnte, ist, in der zweiten Stufe auf Methalox umzusteigen, um zusätzliche Leistung zu erhalten, um Gitterrippen und ein Hitzeschild zu bezahlen. Der Subscale-Raptor-Motor , den sie im September 2016 getestet haben, hat einen Schub von 1 MN, was dem erhöhten Schub des Vakuum-Merlin 1D ähnelt. Auch der Motor hat eine ähnliche Größe.

Die Abmessungen der zweiten Stufe können sich nicht wesentlich ändern, aber die geringere Dichte von Methan als Kerosin wird etwas durch das höhere O/F-Verhältnis und die hohe Dichte von LOX ausgeglichen.

Wissen wir, welches Verhältnis die Subskala Raptor verwendet? Ich kann mir nicht vorstellen, dass es ein Sieg wäre, ohne die Etappe zu dehnen.
Laut Wikipedia ist es 3,8. Beim Ausgraben dieser Zahl bin ich auf diesen Reddit-Beitrag gestoßen, der einige Berechnungen anstellt, um darauf hinzuweisen, dass Methalox mit dem gleichen Volumen der zweiten Stufe Kerolox für leichtere Nutzlasten leistet. Stretching würde die Sache noch verbessern, aber ja, Falcon 9 ist schon zu lang.
Schöner Fund! Ich bin überrascht von diesem Ergebnis.

Nachdem sie ernsthaft gestartet waren, entschied SpaceX, dass die Wiederherstellung der zweiten Stufe zu schwierig sein würde und dennoch eine nützliche Nutzlast aufrechterhalten würde.

Musk sinnierte kürzlich in einem Tweet , dass:

Es ist wirklich verlockend, die Oberstufe auch für die Rückkehr neu zu gestalten (Falcon Heavy hat genug Kraft), aber es ist am besten, sich auf die Marsrakete zu konzentrieren

Dies deutet darauf hin, dass der bessere ISP des in Entwicklung befindlichen Raptor-Motors für Marsmissionen dies möglich machen könnte.

Haben Sie in Betracht gezogen, dass die Motoren der D-Variante, die die aktuellen Motoren ersetzen, erhöhte "Nutzlast"-Fähigkeiten bieten, die sich auf den Kraftstoff übertragen lassen, um die 2. Stufe zu verlangsamen?
Die D-Varianten brachten in keiner Weise Vorteile, die für die Wiederverwendung von S2 nützlich wären. Der begrenzende Faktor ist die Nutzlastkapazität, die bergauf geht - das Reservieren von mehr Masse für die Bergung wird die Kapazität zum Orbit direkt einschränken, und sie würden hochbezahlte Kunden verlieren, indem sie diese Kapazität reduzieren. Motoren mit höherem Schub haben das nicht verbessert - eine Tankverlängerung oder ein Kraftstoffwechsel bieten möglicherweise die Möglichkeit, aber sie gehen diesen Weg nicht.
Wie plant SpaceX, die Wiederverwendbarkeit der *zweiten* Phase von Falcon 9 zu erreichen?
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