Warum kann der Falcon 9 wiederverwendet werden, der SLS jedoch nicht?

Die Antwort auf oberster Ebene lautet, wie andere sagten, "weil es so entschieden wurde".

Aber danach haben wir tatsächliche Designentscheidungen, die eine Wiederherstellung von SLS einfach völlig unpraktisch machen. Es konzentriert sich darauf, die große Nutzlast in eine hohe Umlaufbahn zu bringen, und indem es die Notwendigkeit der Wiederverwendbarkeit ignoriert, folgt es Designprinzipien, die eine Bergung völlig unpraktisch machen.

Die SRBs von SLS könnten wiederverwendet werden, aber das hat wenig Nutzen – es sind billige, einfache Geräte, und sobald der Treibstoff verbrannt ist, bleibt wirklich wenig übrig, um wiederhergestellt zu werden – eine große, harte Hülle und etwas Avionik. Im Falle des Shuttles hat es nie viel Geld gespart, und der Wiederherstellungs- und Überholungsprozess war kostspielig und komplex genug, dass er als die Kopfschmerzen nicht wert angesehen wurde.

Dann gibt es die Kernphase. Ein riesiger, orangefarbener Tank mit Kryotreibstoffen und vier fortschrittliche Motoren. Es würde sich lohnen, diese Motoren zu bergen, aber es ist nicht möglich. Der Tank ist eigentlich ziemlich weich, meist aus Schaumstoff mit einer dünnen Aluminiumauskleidung. Es trägt viel Kraftstoff, was viel Delta-V bedeutet. Das bedeutet, dass es eine sehr hohe Geschwindigkeit und eine sehr große Höhe erreicht. Und dann muss es diese Geschwindigkeit und Höhe verlieren, wenn es wiederhergestellt werden soll.

Dies steht ganz im Gegensatz zur wiederherstellbaren ersten Stufe von Falcon 9, die kaum 1,5 km / s (von benötigten 8) erreicht und nur kurz über die Atmosphäre eintaucht.

Falcon 9 kann mit angemessener, überlebensfähiger Geschwindigkeit bremsen und absteigen, ohne zu verbrennen und ohne übermäßig viel Kraftstoff beim Bremsen zu verbrauchen, um nicht zu verbrennen. Die zweite, nicht wiederherstellbare Stufe trägt die meiste Verantwortung für das Erreichen der Orbitalgeschwindigkeit.

OTOH, SLS-Kernstufe erreicht ziemlich genau die Umlaufbahn. Es würde eine enorme Menge an Energie erfordern, um es zu verlangsamen - oder einige extrem komplexe (und wahrscheinlich sehr schwere) technische Lösungen, damit es den Abstieg überlebt und Luft zum Bremsen verwendet. Es ist den Kompromiss nicht wert. Es müsste entweder noch größer sein oder viel Nutzlastgewicht opfern, um den Wiedereintritt aus dieser Geschwindigkeit zu überleben. Die erste Stufe von F9 beschleunigt nicht viel, kann also leicht verlangsamt werden. SLS wird so schnell, dass es einfach zu mühsam und kostspielig ist, es auf kontrollierte Weise zu verlangsamen.

SpaceX hat entschieden, dass die Wiederverwendbarkeit ein äußerst wichtiges Ziel ist, um die langfristigen Kosten niedrig zu halten, und deshalb haben sie die Leistungsmarge von ~15 % bis 30 % eingeplant, die sie benötigen, um die Wiederverwendbarkeit zu erreichen (die niedrigere Zahl für die Landung von Schiffen im mittleren Atlantik; die höhere Zahl für den Schub zurück zum Startplatz). Die Kosten sind für SpaceX entscheidend, da Falcon 9 kommerziell mit anderen Boostern mit mittlerem Auftrieb wie Delta IV, Atlas V und Sojus konkurrieren muss. Wenn sie die erhoffte Wiederverwendbarkeit erreichen, sind die Mehrkosten eines 15 % stärkeren Boosters mehr als gedeckt.

SLS ist eine viel größere Rakete, die die 5- bis 10-fache Nutzlast trägt. Die einzigen Starts, die das wirklich erfordern, sind bemannte Missionen jenseits von LEO. Solche Missionen sind selten und müssen nicht so kosteneffektiv sein wie ein Kommunikationssatellitenstart.

Der Wiederverwendbarkeitsplan von Falcon 9 basiert auf einer präzisen vertikalen Landung. Die Kernstufe von SLS ist viel größer und schwerer, und es wäre ein wesentlich schwierigeres Problem, sie auf ähnliche Weise zu landen. Fallschirmlandungen wären wahrscheinlich machbar, aber das macht die Bergung und Sanierung zeitaufwändiger und schwieriger.

Design-Kriterien

Das SLS wurde als Backstop konzipiert, um das Shuttle kurzfristig zu ersetzen und längerfristig Missionen zum Mars zu unterstützen. Wiederverwendbarkeit stand damals nicht auf der Tagesordnung.

Falcon 9 ist ein Schritt in Elon Musks Vision, eine sich selbst erhaltende menschliche Zivilisation auf dem Mars zu ermöglichen. Seine zugrunde liegende Designphilosophie ist also eine andere: Sie ist langfristiger. Dies wird von Musk selbst in einem One-on-One-Interviewvideo erklärt, das zuvor von Benutzer flangford gepostet wurde .

Musk vertritt die Ansicht, dass für eine Landung außerhalb der Erde raketengetriebene sanfte Landungen erforderlich sind, also sollte SpaceX besser darin werden. Er glaubt auch, dass der Wettbewerb die Preise senken und den Platz zugänglicher machen wird. Die Wiederverwendung ist dabei eine Schlüsselkomponente, sodass die Implementierung eines Features, das irgendwann sowieso benötigt wird, beiden Zwecken dient.

Laut SpaceX kostet ein F9-Start derzeit 61,2 Millionen US -Dollar und liefert 13.150 kg an LEO für 4654 US- Dollar /kg. In dieser Antwort von 2013 nennt PearsonArtPhoto Falcon 9 mit 4.109 $ , Ariane 5 mit 10.476 $ , Delta IV mit 13.072 $ und Atlas V mit 13.182 $. In runden Zahlen nennt SpaceX 30-40 % des Preises anderer westlicher Trägerraketen.

Aber der Preiswettbewerb wird mit Falcon Heavy stärker. Auf derselben SpaceX-Seite wird ein Falcon Heavy-Start mit 85 Mio. USD angegeben, der 53.000 kg an LEO zu 1604 USD / kg liefert, 1/8 der Kosten eines Delta IV (und vergleicht auch 2013-Dollar mit 2015-Dollar).

In dem Video erwähnt Musk auch, dass SpaceX ein größeres Fahrzeug plant, um Falcon Heavy zu folgen.

Die ESA hat mit der Ariane 5 Midlife Evolution reagiert . Der aktuelle Ariane-6 - Vorschlag beinhaltet keine Wiederverwendung, erwähnt aber Preiswettbewerb.

Fazit

Der Unterschied liegt an völlig unterschiedlichen Gestaltungszielen, getrieben durch unterschiedliche Unternehmensphilosophien. Es wird erwartet, dass der Wettbewerb zwischen Startsystemen die Kosten senkt, und wenn die Kosten sinken, werden mehr Missionen praktikabel, was zu einer Ausweitung des Startmarkts führt. Aus Sicht von SpaceX ist die Wiederverwendung der Schlüssel.

Der ursprüngliche SpaceX-Plan zur Bergung einer ersten Stufe sah Fallschirme ins Wasser vor. Immerhin hatten sie Tonnen von Daten von der NASA über SRB-Wiederherstellungen (266 von ihnen?).

Aber nachdem sie die ersten paar Flüge der Falcon 9 1.0 ausprobiert hatten, erkannten sie, dass sie die Rakete verlangsamen mussten, bevor sie die Atmosphäre traf (wo Fallschirme funktionieren würden), oder sie wurden auf dem Weg nach unten zu heiß und verbrannten.

Sie nahmen die Lehren aus Falcon 9 v1.0 und rollten sie in Falcon 9 v1.1 ein, das Sie heute auf den Markt bringen können. (Natürlich haben sie seitdem Gitterflossen hinzugefügt, die Menge der Steuerflüssigkeit für diese Flossen geändert, sind dabei, den Merlin 1D-Motor in den nächsten paar Flügen zu verbessern, und wahrscheinlich noch viele weitere Änderungen, von denen sie uns nichts sagen werden).

Das sollte Ihnen ein Muster dafür geben, wie sie die Wiederverwendung angegangen sind.

SLS plant, wenn wir Glück haben, alle 4 Jahre Nutzlasten zu starten. Es ist unwahrscheinlich, dass sie bereit sein werden, in dieser Art von Modell auf die gleiche Weise zu experimentieren, zu lernen, zu reagieren und zu aktualisieren.

Als SLS entwickelt wurde, wurde die Wiederherstellung nicht als Priorität betrachtet. Während in den Shuttle-Tagen die SRBs zumindest geborgen und größtenteils wiederverwendet wurden (nach VIEL Nacharbeit bis zu dem Punkt, an dem es fast keine Kosteneinsparungen gab), werden sie für SLS weggeworfen, keine Wiederherstellungsversuche.

Während die SSME (RS-25D-Motoren), die das Shuttle verwendete, wiederverwendet werden konnten (nach erheblichen und teuren Renovierungsarbeiten), wird die SLS sie nicht zurückgewinnen, sondern sie wegwerfen.

Ich bin bekannt dafür, SLS in dieser Hinsicht zynisch gegenüberzustehen, also nehmen Sie meine Perspektive mit diesem Körnchen Salz ein, da ich behaupte, dass die Kosteneffizienz für SLS nie ein Anliegen war, sondern nur die Anzahl der Arbeitsplätze, die es in entscheidenden Staaten erhalten würde. (Ich denke, die NASA ist eine großartige Forschungsorganisation. Ich denke, sie sind ein schrecklicher Startanbieter. Großer Unterschied.)

Wenn Sie das im Vergleich zum SpaceX-Modell betrachten, Geld zu verdienen und dabei die Startdominanz in die USA zurückzubringen, die Präsenz der Geisteswissenschaften im Weltraum zu erhöhen, dann ist es offensichtlich, warum.

Sie platzieren ihre Wetten anders

Während SpaceX mit seinem wiederverwendbaren Startsystem ziemlich innovativ ist, hat die NASA einen konservativeren Ansatz und baut ein vollständig entbehrliches Startsystem, weil sich das bewährt hat.

Nach mehreren Misserfolgen gelang es SpaceX, es durchzuziehen und die erste Stufe zurück zur Startrampe zu fliegen. Ob sich dieses Kunststück aber zuverlässig reproduzieren lässt und tatsächlich günstiger ist, ist noch offen. Die Zukunft wird uns also zeigen, welcher Ansatz sich durchsetzen wird.

Außerdem versucht die SLS, den Rekord für das leistungsstärkste jemals gebaute Startsystem zu brechen. Ein vollständig entbehrliches System ist immer leistungsstärker als ein wiederverwendbares System mit der gleichen Startmasse, da Sie keine Landeausrüstung benötigen und kein Teil robuster gebaut werden muss als erforderlich, um nur einen einzigen Start zu überstehen.

Als ich über SLS las, erfuhr ich, dass der Grund, warum sie ihre Rakete nicht wiederverwenden, darin besteht, dass das Gewicht der Fallschirme, um eine Bergung zu ermöglichen, ein zu großes Opfer darstellt.

Genauer gesagt ist es unmöglich, Fallschirme zu bauen, die groß genug sind, um sie genug zu verlangsamen, um einen Aufprall zu überleben. Die SRBs auf STS verwendeten die größten jemals hergestellten Fallschirme, und sie trafen immer noch hart genug auf das Wasser, um erheblichen Schaden anzurichten. SRBs sind ziemlich robust gegenüber Flüssigkraftstofftanks und Motoren. Selbst wenn man Fallschirme groß genug machen könnte , um eine Wasserung des SLS-Kerns zu ermöglichen, würden die Tanks und Motoren durch den Aufprall zerschmettert werden.

Ganz zu schweigen davon, dass das Eintauchen heißer Raketentriebwerke in kaltes Salzwasser sie wahrscheinlich unbrauchbar machen würde, selbst wenn sie durch den Aufprall nicht zerstört würden.

Als SpaceX seine Wiederverwendbarkeitstechnologie entwickelte, gingen die ersten Phasen in das Getränk, wo sie aufgrund von Wellenbewegungen sofort auseinanderbrachen und sanken. SLS ist für seine Länge viel dicker als F9, daher könnte es in dieser Hinsicht etwas robuster sein, aber Sie würden immer noch die Motoren verlieren, was das Einzige ist, was Sie wirklich wiederherstellen und wiederverwenden möchten.

Aber die einfache Antwort ist, dass die Wiederverwendung keine Designüberlegung für SLS war. Überhaupt. Es wurde entwickelt, um sehr schwere Nutzlasten zu heben und gleichzeitig bestimmte Auftragnehmer zu beschäftigen. Tatsächlich macht es bei der vorgeschlagenen Flugrate (1 alle zwei Jahre) nicht viel Sinn, das zusätzliche Geld für die Entwicklung eines wiederverwendbaren Systems auszugeben. Die Wiederverwendbarkeit ist für SpaceX sinnvoll, da sie derzeit Dutzende von Missionen auf eine Fahrt warten und möglicherweise Hunderte mit ihren Plänen für Satellitenkonstellationen. Auch wenn es ihnen nur hier oder da eine Million spart, einen vorgeflogenen Booster zu verwenden, anstatt einen neuen zu bauen, summiert sich das über die Anzahl der geplanten Missionen zu echtem Geld.

Dies ist für den wiederverwendbaren Kernabschnitt (nicht Booster) für jemanden, der sich für ein ähnliches Thema interessiert. Für den wiederverwendbaren Booster lesen Sie bitte diese Meinung .

Ich habe den Beitrag von volker2020 und Butters bei "Thema: SLS wiederverwendbar möglich?" im NASA-Forum:

Diese Tatsache und Meinung gelten für die vertikale Landung wie SpaceX Falcon 9:

Es sieht so aus, als ob SLS bereits mit oder mit Modifikation ausgestattet ist:
   Flugelektronik (Steuerung und Navigation)
   Landebeine

Aber es gab eine Herausforderung:

   Fehlendes mechanisches System:
     Die Geometrie der Motoren: Es wird mindestens ein Motor benötigt, der gedrosselt werden kann, aber es gibt keinen Mittelmotor, daher müssten zwei entgegengesetzte verwendet werden, um einen gleichmäßigen Schubvektor zu erhalten.
     Das Neustarten des Hauptmotors könnte das Hauptproblem sein, aber sie, RS-25, können (im Moment) nicht neu starten.
     Die Bühne ist mit Schaumstoff bedeckt. Das eignet sich nicht wirklich für einen heißen Wiedereintritt, wie wir es bei SpaceX Falcon 9 sehen.
     Die Schubsektion der SLS ist ziemlich schwer, was mehr Treibstoff zum Landen erfordern würde.

   Betriebsgrenze:
     Da die RS-25 nicht neu gestartet werden kann, besteht das größte Problem darin, dass die SLS-Kernstufe fast Umlaufgeschwindigkeit erreicht, den Atlantik und Afrika überfliegt und mit Geschwindigkeiten von mehr als Mach 20 über den Indischen Ozean zurückkehrt.

Laut nbc1397 im Forum sieht eine der möglichen Lösungen wie eine Kombination aus 4 RS-25- und 1 RL-10/BE-3-Raketentriebwerken im Kernstadium aus. Die RL-10 würde für die Landung verwendet.

Ich denke auch, dass wir uns verschiedene Wege überlegen sollten, um die Kernphase zu erreichen, da SpaceX die Essstäbchen-Methode, Mechazilla, für den Super Heavy Booster (Raumschiff-Kernphase) verwenden wird. Der SLS-Kern hat ein ähnliches Gewicht und eine ähnliche Wiedereintrittsgeschwindigkeit wie der Super Heavy (nicht Falcon 9).