Der Versuch von SpaceX, eine wiederverwendbare Rakete der ersten Stufe zu entwickeln, klingt erstaunlich, aber wie sie sie dazu bringen werden, wieder auf der Startrampe zu landen, ist mir schleierhaft. Unter der Annahme, dass sich die erste Stufe mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 km/s in einer Entfernung von etwa 150 km nach unten trennt, müssen sie im Wesentlichen mehr als 3 km/s rückläufiges Delta-V liefern und die 150 km zurück irgendwie zurücklegen die Unterlage. Oder bin ich dumm und übersehe etwas Offensichtliches? Ich hätte gedacht, dass ein mobiles Pad auf Wasserbasis ideal wäre, da es eine Tonne des erforderlichen Delta-V einsparen könnte, aber ich habe nichts von solchen Plänen gehört.
Also, weiß jemand, wie sie es machen werden? Hat der Falcon 9 v1.1 wirklich genug Treibstoff, um genügend Delta-V bereitzustellen, um zum Pad zurückzukehren und ausreichend zu verlangsamen, bevor er eine kontrollierte Landung durchführt?
BEARBEITEN: Ich versuche, eine grobe Simulation mit einigen Differentialgleichungen zu erstellen, aber ich kann keine ausreichend zuverlässige Quelle für die Entfernung, Höhe und Geschwindigkeit im unteren Bereich finden (dh x- und y-Komponenten oder zumindest Geschwindigkeit und Flugbahnwinkel über dem Horizont). der ersten Stufe bei MECO und Trennung. Ich weiß, dass diese Werte je nach Mission unterschiedlich sein werden, aber gibt es Statistiken für beispielsweise eine Nachschubmission zur ISS?
Sie haben gesagt, dass sie etwa 15 % der Brennstoffkapazität einer ersten Stufe für Wiederverwendbarkeitsoperationen reservieren werden. An dem Punkt, an dem sie das Delta-V übermitteln müssen, um zur Basis zurückzukehren, sind sie somit zu 85 % leer.
Somit müssen nur noch 3 Motoren statt der 9 Hauptmotoren für den Retroantrieb verbrennen.
Ich werde nicht versuchen, die Mathematik zu machen, aber sie behaupten, dass sie es getan haben, und glauben, dass es funktionieren wird.
Es gab einige Diskussionen, denen ich nicht ganz gefolgt bin, ob 2 oder 3 Verbrennungen erforderlich sind, um zurückzukehren. Sie müssen die Geschwindigkeit in der Vorwärtsrichtung aufheben und anfangen, rückwärts zu gehen. Dann muss der Eintritt in die Atmosphäre auf überlebensfähige Weise kontrolliert werden.
Denken Sie daran, dass sie nach oben und vorne geloftet werden, wenn MECO-1 und Phasentrennung auftreten. Sie können die Aufwärtskomponente fahren und sich auf den Vorwärtsvektor konzentrieren, um ihn aufzuheben.
Für Falcon Heavy ist es kniffliger, da die mittlere Kernstufe erst viel später brennt und bei ihrem MECO um einiges höher und schneller ist.
Einige haben spekuliert, dass der Start von Texas aus und die Erholung in Florida eine gewisse Marge für Wiederverwendbarkeitsoperationen bringen könnte.
Für den CRS-5-Flug (geplantes Datum Dezember 2014) hat Musk gesagt, dass sie zunächst einen in Louisiana gebauten Lastkahn (50 x 70 m) verwenden werden, um zu versuchen, darauf zu landen, bis sie der FAA beweisen können, dass sie die Landung genau genug kontrollieren können. Musk prognostiziert beim ersten Versuch nur 50% Erfolgschancen.
Mit dem CRS-8-Flug am 8. April 2016 landeten sie erfolgreich eine erste Stufe auf dem ASDS-Schiff „Of Course I Still Love You“. Sie unternahmen mehrere Versuche, bei denen sie den Lastkahn buchstäblich trafen, um die Fähigkeit zu demonstrieren, zum Lastkahn zurückzukehren, und schließlich die Fähigkeit zu landen. Elon Musk schlug in der Pressekonferenz nach dem Start vor, dass 1/3 ihrer zukünftigen Flüge den Lastkahn zur Landung nutzen würden. Normalerweise schwere GEO-Missionen, die die zusätzliche Leistung erforderten.
Basierend auf der Aussage, dass 15 % des Treibstoffs reserviert sind und drei Triebwerke für die Landephase verwendet werden ... und eine einfache Berechnung "hinter dem Umschlag" durchgeführt wird ...
**Stock Data**
28.0 T Falcon 9 v1.1 dry mass (est)
5.0 T this author's wing-it for the landing legs on the v1.2
411.0 T Fuel Mass (est)
598.7 TT Full thrust (at MSL) 9 engine cluster
66.5 TT Thrust per engine
170.0 sec Burn Duration
1530.0 e•s engine-seconds burn duration
Das gibt uns genug, um damit zu arbeiten.
28.0 T Falcon 9 v1.1 dry mass (est)
5.0 T this author's wing-it for the landing legs on the v1.2
61.6 T Fuel Mass (est) at separation
94.6 T est. mass at separation
199.5 TT Thrust on 3 engines at full throttle.
66.5 TT Thrust per engine
46.5 TT Thrust per engine minimum (70%)
76.5 sec Burn Duration 3 engines full throttle
229.5 e•s engine-seconds burn duration
327.9 e•s burn duration engine seconds at 70% throttle (minimum)
Es sieht für mich so aus, als würden sie sich bei etwa 144 Sekunden trennen, für eine Weile fallen und dann mit einem einzelnen gedrosselten Motor mit Motorflug beginnen. Elon hat gesagt, dass das Ziel 40% Gasminimum ist, und daher würde ich erwarten, dass der Merlin 1E noch tiefer geht - aber das Ding hat immer noch ≥1G bei der Landung. mit dem 1D @ 70%. Bei der Trennung hat es etwa 0,6 G pro Motor. Mehr als ausreichend, um die Vorwärtsgeschwindigkeit aufzuheben und die Landesequenz zu beginnen.
Das Problem ist Gas-Back, kein ausreichender Schub!
Die horizontale Komponente der Geschwindigkeit der ersten Stufe wird unter Mach 6 oder unter 2.000 Metern/Sek. liegen, wie Elon Musk zuvor (in einem Artikel des Magazins Popular Mechanics aus dem Jahr 2012) für die Wiederherstellung seiner ersten Stufe feststellte. Denken Sie daran, dass SpaceX F9R-Windkanaltests bei NASA-Marshall bis Mach 5 angekündigt hat. Denken Sie daran, dass die Überwindung von Schwerkraftverlusten ~ 1.500 Meter / Sekunde des Delta V der 1. Stufe beträgt, so dass das gesamte Burnout-Delta V der 1. Stufe ~ 3.500 Meter / Sekunde = 2.000 Meter beträgt /Sek. Horizontalgeschwindigkeit + 1.500 Meter/Sek. Schwerkraftverluste.
Diese Zahl von 15 % ist eine Reduzierung der orbitalen Nutzlast um 15 % (oder 30 %) und wahrscheinlich keine massive Treibstoffreserve von 15 % auf der 1. Stufe von über 60 Tonnen Treibstoff. Eine Treibstoffreserve von 32 Tonnen ist wahrscheinlicher.
RLV-Booster-Studien der Air Force und Kistler hatten geschätzt, dass ein Raketenrückwärtsmanöver zur Startrampe, einschließlich des Ablassens von Mach 4 bis 7 in horizontaler Geschwindigkeit, ~ 3.000 Meter / Sek. Delta V erfordert (gemäß der zitierten AF RLV-Booster-Rückkehrstudie, die 11.000 angibt fps - 1.000 fps = 10.000 fps = 3.000 m/s als Delta V, das für die Rückkehr zur Startrampe benötigt wird). Dies ist näher an 32 Tonnen Treibmittel, die für das Delta V mit 3.000 m / s reserviert sind, das für die 1. Stufe benötigt wird, um zur ursprünglichen Startrampe zurückzukehren.
Elon Musk hat bereits gesagt, dass das Gewicht der Landebeine des F9R geringer ist als das Gewicht des Tesla Model S von 2,1 Tonnen und dass der Massenanteil der 1. Stufe des F9R unter 4 % liegt. Sie sollten von 18 Tonnen Leergewicht einschließlich Beinen und ~ 32 Tonnen Treibstoff ausgehen, um die 1. Stufe zurück zum Pad zu bringen. Sie müssen in der Lage sein, Merlin 1D für eine sanfte Landung eines leeren 18-Tonnen-Boosters wieder auf 30 % Schub (dh 20 Tonnen Schub) zu drosseln.
Luftreibung allein kann den Booster auf Unterschallgeschwindigkeit verlangsamen, aber sie kann den Booster auch auseinanderreißen. SpaceX muss den Wiedereintritt kontrollieren und das Fahrzeug mit mehreren kleineren Schüssen positionieren, damit es nicht in die Atmosphäre „baucht“ (Elon Musks Worte).
Verwenden Sie diese Zahlen als Ihre Schätzungen:
418 Tonnen betankte 1. Stufe mit 18 Tonnen Leergewicht (dh 16 Tonnen für 4 % Massenanteil und 2 Tonnen für die neuen Landebeine) -- http://www.spaceflight101.com/falcon-9-v11.html ;
50-Tonnen-Ausbrenngewicht der 1. Stufe mit 32-Tonnen-Treibstoff für das Rückraketenmanöver;
Kraftstoffgewicht der 2. Stufe von 75 Tonnen, Leergewicht von 5 Tonnen und Nutzlastgewicht von 13 Tonnen, für 88 Tonnen Gesamtnutzlast + Gewicht der 2. Stufe, das von der 1. Stufe getragen wird; und
Gesamtgewicht der F9R-Rakete von 506 Tonnen, um 13 Tonnen Nutzlast in LEO zu platzieren und die 1. Stufe zur Startrampe zurückzuschießen.
Ich gehe auch von einem durchschnittlichen ISP von 300 Sek. auf der 1. Stufe und von 340 Sek. ISP auf der 2. Stufe aus.
Die obigen Schätzungen stimmen mit den Gewichts- und Leistungsschätzungen des F9R v1.1 überein, die von dieser Website erstellt wurden -- http://www.spaceflight101.com/falcon-9-v11.html
Die obigen Schätzungen sollten in Ihren Berechnungen für die F9R funktionieren, die eine 13-Tonnen-Nutzlast zu LEO bringt, und dann für die F9R-Erststufe mit einem Delta V von 3.000 Metern / Sekunde (erhalten aus 32-Tonnen-Reservetreibstoff), um eine Raketen- Zurückmanöver zur Startrampe.
Ich schätze, dass es weniger als 3 Tonnen zusätzlicher Gewichtsstrafe auf der 2. Stufe der F9R für das Treibmittel, den Hitzeschild, (4) Super Draco-Triebwerke und die Landebeine sein werden, die benötigt werden, um die 2. Stufe der F9R ähnlich wie bei der Bergung und wiederzuverwenden Wiederverwendung des Dragon-2-Raumschiffs.
Dies bedeutet, dass ein vollständig wiederverwendbarer F9R, der sowohl seine 1. als auch seine 2. Stufe wiederverwendet, 10 Tonnen zu LEO und weniger als 1 Tonne zu GTO transportieren könnte.
Sie übersehen etwas Offensichtliches: Luftreibung.
Die Endgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, die die Rakete haben würde, wenn Luftreibung und Gravitation im Gleichgewicht sind, ist ein kleiner Bruchteil der Umlaufgeschwindigkeiten in einigen Kilometern Höhe. Allein durch den Wiedereintritt in die Atmosphäre töten sie fast ihren gesamten Schwung.
Nach dem Wiedereintritt können sie auch aerodynamische Kräfte einsetzen, um zur Startrampe zurückzukehren, aber ich weiß nicht, ob das ein wesentlicher Faktor sein wird. Während sie die Rakete während des Starts schnell beschleunigen müssen, brauchen (oder wollen) sie auf jeden Fall nicht viel Geschwindigkeit, um zur Basis zurückzukehren.
Die letzte Wasserlandung war etwa sechs Meilen unterhalb des Startplatzes. Ungefähr so nah, wie sie kommen wollten. Das Ziel ist es, zum selben Startplatz zurückzukehren und den mobilen Startturm sehr bald nach der Landung loszulassen und zu holen. Dies kann einige hundert Fuß vom Montage- und Startplatz entfernt sein. Ich habe gesehen, wo sich das geplante Landevisier im California-Komplex befindet. Ich fragte, wie mir versichert wurde, dass SpaceX die Falcon 9 von zehn auf 13 Tonnen erhöht hatte, damit sie ihre Verpflichtungen erfüllen konnten, aber das Fly-Back-System verwenden würden, und es könnte den Nutzlastverbrauch aufgrund des Treibstoffbedarfs für den Rückflug auf so viel senken zum Startvisier. Ich hätte es so entworfen, dass es ein paar hundert Meilen entfernt in der Nähe eines bedeutenden Flughafens landen könnte, der schweren Lufttransport bewältigen könnte, und diesen nutzen könnte, um die Bühne zurück zum Startziel zu bringen. Es würde den müden Startturm mit Rädern wie in Kalifornien anstelle des ersten auf Schienen in Florida verwenden. Der Errichtungs- und Startturm kann dorthin fahren, wo der Booster gelandet ist, ihn greifen, herunterbringen, zum horizontalen Montageturm zurückfahren oder möglicherweise in ein Transportboot, einen Zug und/oder ein Flugzeug fahren. Am Montageplatz überprüften sie es, befestigten neue Nutzlasten, wechselten möglicherweise manchmal einige der Triebwerke, führten alle anderen erforderlichen Wartungsarbeiten durch und verwendeten es als neue Rakete wieder.
Die Rückseite und Unterseite des Boosters haben ein sehr dünnes Hitzeschutzmaterial. Frühe Pläne sahen vor, dass dies den größten Teil des Brechens beim Wiedereintritt liefert, aber aktuelle Pläne sehen vor, den größten Teil davon mit Kraftstoff zu erledigen, was einer der Gründe dafür ist, dass ein größerer Booster und mehr Rücklaufkraftstoff benötigt werden. Es könnte bis zu dreißig Prozent der Nutzlast als Treibstoff für die Rückkehr benötigen.
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