El programa de desarrollo del sistema de lanzamiento reutilizable de SpaceX es un programa financiado con fondos privados para desarrollar un conjunto de nuevas tecnologías para un sistema de lanzamiento orbital que puede reutilizarse muchas veces de una manera similar a la reutilización de aviones . SpaceX ha estado desarrollando las tecnologías durante varios años para facilitar la reutilización completa y rápida de los vehículos de lanzamiento espacial . Los objetivos a largo plazo del proyecto incluyen devolver la primera etapa de un vehículo de lanzamiento al sitio de lanzamiento en minutos y devolver una segunda etapa a la plataforma de lanzamiento después de la realineación orbital con el sitio de lanzamiento yreentrada atmosférica en hasta 24 horas. El objetivo a largo plazo de SpaceX es que ambas etapas de su vehículo de lanzamiento orbital estén diseñadas para permitir la reutilización unas horas después del regreso. [1]
País | Estados Unidos |
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Organización | SpaceX |
Propósito | Sistema de lanzamiento reutilizable |
Estado | Activo |
Historial del programa | |
Duración | 2011-presente |
Primer vuelo | SpaceX CRS-3 |
Sitio (s) de lanzamiento | |
Información del vehículo | |
Lanzamiento de vehículos |
El programa se anunció públicamente en 2011. SpaceX logró por primera vez un aterrizaje exitoso y la recuperación de una primera etapa en diciembre de 2015. El primer vuelo de una primera etapa aterrizada ocurrió en marzo de 2017 [2] y la segunda ocurrió en junio de 2017, que uno sólo cinco meses después del primer vuelo del propulsor. [3] El tercer intento ocurrió en octubre de 2017 con la misión SES-11 / EchoStar-105 . Las renovaciones de las primeras etapas renovadas se convirtieron en una rutina. En mayo de 2021, B1051 se convirtió en el primer propulsor en impulsar diez misiones. [4]
La tecnología del sistema de lanzamiento reutilizable se desarrolló y se utilizó inicialmente para la primera etapa de Falcon 9 . [5] Después de la separación de la etapa , el propulsor gira, se realiza un impulso de retroceso opcional para revertir su curso, un impulso de reentrada, controlando la dirección para llegar al sitio de aterrizaje y un impulso de aterrizaje para efectuar la desaceleración final a baja altitud y el aterrizaje.
SpaceX tenía la intención (al menos desde 2014) de desarrollar tecnología para extender el hardware de vuelo reutilizable a segundas etapas, un problema de ingeniería más desafiante porque el vehículo viaja a velocidad orbital . [6] [5] [7] La reutilización de la segunda etapa se considera fundamental para los planes de Elon Musk para permitir el asentamiento de Marte . Se han abandonado los conceptos iniciales para hacer reutilizable la segunda etapa de Falcon 9. [8]
A partir de 2021 [actualizar], SpaceX está desarrollando activamente el sistema Starship , con la intención de convertirlo en un vehículo de lanzamiento de dos etapas totalmente reutilizable, destinado a reemplazar todos sus vehículos de lanzamiento y naves espaciales existentes utilizados para la entrega de satélites y el transporte humano: Falcon 9, Falcon Heavy y Dragon, y también, eventualmente, vuelos de apoyo a la Luna y Marte. Además, podría utilizarse para el transporte de punto a punto en la Tierra. [9]
Historia
SpaceX inicialmente intentó aterrizar la primera etapa del Falcon 1 en paracaídas , sin embargo, la etapa no sobrevivió al reingreso a la atmósfera. Continuaron experimentando sin éxito con paracaídas en los primeros vuelos del Falcon 9 después de 2010. Posteriormente, SpaceX cambió su enfoque para desarrollar un sistema de aterrizaje de descenso motorizado . [10]
El esquema general del sistema de lanzamiento reutilizable se describió públicamente por primera vez en septiembre de 2011. SpaceX dijo que intentaría desarrollar el descenso y la recuperación motorizados de ambas etapas Falcon 9: un cohete de despegue y aterrizaje vertical ( VTVL ) completamente vertical . La compañía produjo un video animado por computadora que muestra una vista teórica de la primera etapa que regresa con la cola primero para un descenso motorizado y la segunda etapa con un escudo térmico, volviendo a entrar en la cabeza primero antes de rotar para un descenso motorizado. [11] [12] [13] [14] En septiembre de 2012, SpaceX comenzó las pruebas de vuelo en un prototipo de primera etapa reutilizable con el cohete suborbital Grasshopper . [15] Esas pruebas continuaron en 2014, incluidas las pruebas de un segundo vehículo prototipo y más grande, F9R Dev1 .
La noticia del cohete de prueba Grasshopper se había hecho pública unos días antes, cuando la Administración Federal de Aviación de EE. UU. Publicó un borrador de Evaluación de Impacto Ambiental para el Sitio de Prueba SpaceX en Texas, y los medios espaciales lo informaron. [16] [17] En mayo de 2012, SpaceX obtuvo un conjunto de datos de prueba atmosférica para la recuperación de la primera etapa del Falcon 9 basándose en 176 ejecuciones de prueba en las instalaciones de prueba del túnel de viento del Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA . El trabajo fue contratado por SpaceX bajo un Acuerdo de Ley Espacial reembolsable con la NASA. [18]
En 2012, se proyectó que la separación de la primera etapa de un cohete Falcon 9 reutilizable ocurriría a una velocidad de aproximadamente Mach 6 (4,600 mph; 2,0 km / s) en lugar de Mach 10 (7,600 mph; 3,4 km / s) para un Falcon 9 prescindible, para proporcionar el combustible residual necesario para la maniobra de desaceleración y giro y el descenso y aterrizaje controlados. [1]
En noviembre de 2012, el CEO Elon Musk anunció los planes de SpaceX para construir un segundo sistema de cohetes reutilizable , mucho más grande, este será impulsado por LOX / metano en lugar de LOX / RP-1 usado en Falcon 9 y Falcon Heavy. El nuevo sistema iba a ser "una evolución del propulsor Falcon 9 de SpaceX", y SpaceX reiteró su compromiso de desarrollar un gran avance en la tecnología de aterrizaje vertical. [19] A finales de 2012, el vehículo de prueba de demostración, Grasshopper, había realizado tres vuelos de prueba VTVL, incluido un vuelo estacionario de 29 segundos a 40 metros (130 pies) el 17 de diciembre de 2012. [15] A principios de marzo de 2013 , SpaceX probó con éxito Grasshopper por cuarta vez cuando voló a una altitud de más de 80 metros (260 pies). [20]
En marzo de 2013, SpaceX anunció que equiparía y equiparía las primeras etapas posteriores del Falcon 9 como vehículos de prueba de descenso controlado, con planes para aterrizajes simulados sobre el agua desacelerados por propulsión a partir de 2013, con la intención de devolver el vehículo al sitio de lanzamiento para un aterrizaje motorizado, posiblemente a mediados de 2014. [21] El borrador de la Declaración de Impacto Ambiental de abril de 2013 para el sitio de lanzamiento propuesto de SpaceX South Texas incluye adaptaciones específicas para el regreso de los propulsores de primera etapa Falcon 9 al sitio de lanzamiento. [22] Elon Musk se refirió públicamente por primera vez al Falcon 9 reutilizable como Falcon 9-R en abril de 2013. [23]
En septiembre de 2013, SpaceX volvió a encender con éxito tres motores de un propulsor gastado en un lanzamiento orbital, y el propulsor volvió a entrar en la atmósfera a velocidad hipersónica sin quemarse. [24] Con los datos recopilados de la primera prueba de vuelo de un descenso controlado por refuerzo desde gran altitud, junto con los avances tecnológicos realizados en el demostrador de aterrizaje a baja altitud Grasshopper, SpaceX anunció que creía que estaba listo para probar un aterrizaje completo. recuperación de una etapa de refuerzo. [25] Con base en los resultados positivos de la primera prueba de vuelo a gran altitud, SpaceX adelantó la fecha prevista de una prueba desde mediados de 2014 hasta principios de 2015 [ aclaración necesaria ] , con la intención de hacerlo en el próximo reabastecimiento de carga de la Estación Espacial vuelo pendiente de aprobaciones regulatorias. [26] [27] Ese vuelo tuvo lugar el 18 de abril de 2014. [28] [29]
Musk declaró en mayo de 2013 que el objetivo del programa es lograr una reutilización completa y rápida de la primera etapa para 2015, y desarrollar la reutilización completa del vehículo de lanzamiento como "parte de una arquitectura de diseño futura". [30] En septiembre de 2013, SpaceX dijo que si todos los aspectos del programa de prueba tenían éxito y si un cliente estaba interesado, la primera actualización de una etapa de refuerzo Falcon 9 podría ocurrir a finales de 2014. [26]
En febrero de 2014, SpaceX hizo explícito que el vehículo de lanzamiento superpesado recientemente definido para lo que entonces se llamaba Mars Colonial Transporter también haría uso de la tecnología reutilizable. [7] Esto fue consistente con la declaración estratégica de Musk en 2012 de que "El avance revolucionario vendrá con cohetes que serán completa y rápidamente reutilizables. Nunca conquistaremos Marte a menos que lo hagamos. Será demasiado costoso. Las colonias estadounidenses nunca han sido pioneros si los barcos que cruzaron el océano no hubieran sido reutilizables ". [31]
También en mayo de 2014, SpaceX anunció públicamente un extenso programa de prueba para una tecnología reutilizable relacionada: una cápsula espacial de aterrizaje propulsivo llamada DragonFly . Las pruebas se realizarían en Texas en la instalación de pruebas de cohetes McGregor en 2014-2015. [32]
En junio de 2014, la directora de operaciones , Gwynne Shotwell, aclaró que toda la financiación para el desarrollo y las pruebas del programa de desarrollo de tecnología del sistema de lanzamiento reutilizable es financiación privada de SpaceX, sin contribución del gobierno de EE . UU . [33] [34] A partir de 2017, SpaceX había gastado más de mil millones de dólares en el programa de desarrollo. [35]
Por primera vez, SpaceX declaró en julio de 2014 que están "muy seguros de poder aterrizar con éxito en una plataforma de lanzamiento flotante o de regreso al sitio de lanzamiento y reabastecer el cohete sin necesidad de remodelación". [36]
A finales de 2014, SpaceX suspendió o abandonó el plan para recuperar y reutilizar la segunda etapa del Falcon 9; [37] la masa adicional del escudo térmico, el tren de aterrizaje y los motores de aterrizaje de baja potencia requeridos incurriría en una penalización de rendimiento demasiado grande. Si bien la idea se mencionó nuevamente más tarde, finalmente se abandonó a medida que avanzaba el desarrollo de Starship . [8]
En diciembre de 2015, luego de la recuperación de la primera etapa del lanzamiento del 22 de diciembre , SpaceX proyectó que el primer reflujo de un amplificador recuperado probablemente ocurriría en 2016, pero que su plan era no repetir la etapa recuperada del 22 de diciembre para ese propósito. [38]
En septiembre de 2016, SpaceX anunció que el desarrollo estaba en marcha para extender el hardware de vuelo reutilizable a las segundas etapas, un problema de ingeniería más desafiante porque el vehículo viaja a velocidad orbital . La tecnología reutilizable debía haberse extendido a los diseños de 2016 de las variantes de la etapa superior del tanquero y la nave espacial tripulada, así como a la primera etapa del Sistema de Transporte Interplanetario , [6] [5] [7] y se considera primordial para los planes. Elon Musk aboga por permitir el asentamiento de Marte . [39] [40] [41] En 2016, se esperaban vuelos de prueba iniciales de un vehículo del Sistema de Transporte Interplanetario no antes de 2020. [6]
En 2017, SpaceX estaba progresando en los vuelos de prueba en el desarrollo incremental e iterativo de un sistema de recuperación de carenado. [42] [2] En julio de 2017, Musk dijo que "estamos bastante cerca de poder recuperar el carenado ... Tenemos una oportunidad decente de recuperar un carenado para fin de año y volver a encenderlo a finales de año". este año o principios del próximo ". [43] Se espera que los ahorros de costos para SpaceX de recuperar el carenado sean del orden de 5 millones de dólares estadounidenses . Juntos, la etapa de refuerzo y el carenado representan aproximadamente el 80 por ciento del costo de un lanzamiento. [43] Los carenados están equipados con un paracaídas orientable y caen hacia un barco equipado con una gran red. [44] Los carenados intactos podrían recuperarse del océano a partir de 2017, [45] con aterrizajes en la red a partir de 2019. [44]
Tecnologias
Se necesitaban desarrollar y probar varias tecnologías nuevas para facilitar el lanzamiento y la recuperación exitosos de las primeras etapas de Falcon 9 y Falcon Heavy, y ambas etapas de Starship . Desde 2017, la recuperación y reutilización de los propulsores de cohetes Falcon se ha convertido en una rutina.
Las tecnologías que se desarrollaron para Falcon 9, algunas de las cuales aún se están perfeccionando, incluyen:
- Sistema de encendido reiniciable para el servomotor de primera etapa. [23] Se requieren reinicios a ambas velocidades supersónicas en la atmósfera superior, para revertir la alta velocidad lejos de la plataforma de lanzamiento y poner el propulsor en una trayectoria de descenso hacia la plataforma de lanzamiento, y a altas velocidades transónicas en la atmósfera inferior. —Para frenar el descenso terminal y realizar un aterrizaje suave. [46] Si el propulsor regresa a un lugar de aterrizaje en tierra, se necesita otra combustión poco después de la separación de la etapa para invertir la dirección de vuelo del propulsor, para un total de cuatro quemaduras para el motor central.
- Nueva tecnología de control de actitud para que el propulsor lleve el cuerpo del cohete descendente a través de la atmósfera de una manera que conduzca tanto a un retorno no destructivo como a un control aerodinámico suficiente para que sea posible la fase terminal del aterrizaje . [47] Esto incluye suficiente autoridad de control de balanceo para evitar que el cohete gire excesivamente como ocurrió en la primera prueba de vuelo a gran altitud en septiembre de 2013, donde la velocidad de balanceo excedió las capacidades del sistema de control de actitud de refuerzo (ACS) y el combustible en los tanques "centrifugaron" a un lado del tanque apagando el único motor involucrado en la maniobra de desaceleración a baja altitud. [27] [48] La tecnología necesita manejar la transición desde el vacío del espacio en condiciones hipersónicas , desacelerando a velocidades supersónicas y pasando por un buffet transónico , antes de volver a encender uno de los motores de la etapa principal a velocidad terminal . [25]
- Se agregaron aletas de rejilla hipersónicas al diseño del vehículo de prueba de refuerzo a partir del quinto vuelo de prueba de descenso controlado por el océano en 2014 para permitir un aterrizaje de precisión. Dispuestas en una configuración de "X", las aletas de la rejilla controlan el vector de elevación del cohete descendente una vez que el vehículo ha regresado a la atmósfera para permitir una ubicación de aterrizaje mucho más precisa . [49] [50] La iteración en el diseño continuó en 2017. Las aletas de rejilla más grandes y robustas, hechas de titanio forjado y sin pintar, se probaron por primera vez en junio de 2017 y se han utilizado en todas las primeras etapas reutilizables del Bloque 5 Falcon 9 desde Mayo de 2018. [51]
- El motor del cohete debe ser regulable para lograr una velocidad cero al mismo tiempo que el cohete llega al suelo. Incluso el empuje más bajo posible de un solo motor Merlin 1D excede el peso del núcleo de refuerzo Falcon 9 casi vacío, por lo que el cohete no puede flotar. [52] [53] [50]
- Capacidad de aterrizaje y guía terminal , [20] incluido un sistema de control del vehículo y un algoritmo de software del sistema de control para poder aterrizar un cohete con una relación de empuje a peso del vehículo superior a uno, [54] con empuje de bucle cerrado control del vector y del acelerador [55] [50]
- Conjunto de sensores de navegación para aterrizaje de precisión [47] [56] [50]
- Una gran plataforma de aterrizaje flotante para lanzamientos donde la primera etapa no tiene suficiente combustible para regresar al sitio de lanzamiento. SpaceX construyó dos naves de drones con puerto espacial autónomo , una para cada costa de los Estados Unidos.
- Un sistema de protección térmica para evitar daños en la primera etapa al reingresar a la atmósfera. [57]
- Tren de aterrizaje ligero y desplegable para la etapa de refuerzo. [17] [50] En mayo de 2013, se demostró que el diseño era un pistón telescópico anidado en un marco en A. El tramo total de las cuatro patas de aterrizaje extensibles de fibra de carbono / aluminio [58] [59] es de aproximadamente 18 metros (60 pies) y pesan menos de 2.100 kilogramos (4.600 libras). El sistema de despliegue utiliza helio a alta presión como fluido de trabajo . [60] [61] Con el vuelo 25 se anunció que cada tramo de aterrizaje contenía un "núcleo de aplastamiento", para absorber el impacto del aterrizaje para aterrizajes particularmente duros. [62] [63]
Economía de la reutilización de cohetes
Para hacer que el Falcon 9 sea reutilizable y regresar al lugar de lanzamiento, se debe llevar propulsor adicional y tren de aterrizaje en la primera etapa, lo que requiere una reducción de alrededor del 30 por ciento de la carga útil máxima para orbitar en comparación con el Falcon 9. [64 ] El reflujo de una etapa utilizada anteriormente en un vuelo posterior depende de la condición de la etapa en la que aterrizó, y es una técnica que ha tenido poco uso fuera de los propulsores de cohetes sólidos reutilizables del Transbordador Espacial .
Musk proyectó en 2015 que el paso de reflight del programa sería "sencillo", debido a los múltiples disparos de duración completa de los motores que se habían hecho en el suelo, y los múltiples reinicios de motor que se habían demostrado en ese momento, sin degradación significativa observada. [65] En 2015, los analistas de la industria continuaron pronosticando problemas que podrían evitar la reutilización económica porque aún no se demostraron los costos de reacondicionamiento y relanzamiento de la etapa, y la justificación económica para la reutilización dependería necesariamente en gran medida del lanzamiento frecuente. [66]
Se espera que SpaceX reduzca significativamente el costo de acceso al espacio y cambie el mercado cada vez más competitivo de los servicios de lanzamiento espacial. [26] [67] Michael Belfiore escribió en Foreign Policy en 2013 que, a un costo publicado de 56,5 millones de dólares por lanzamiento a la órbita terrestre baja , "los cohetes Falcon 9 ya son los más baratos de la industria. Los Falcon 9 reutilizables podrían reducir el precio en un orden de magnitud , provocando más empresas basadas en el espacio, lo que a su vez reduciría aún más el costo del acceso al espacio a través de economías de escala ". [24] Incluso para los lanzamientos militares, que tienen una serie de requisitos contractuales para la prestación de servicios de lanzamiento adicionales, el precio de SpaceX es inferior a los 100 millones de dólares estadounidenses . [68] [69]
El analista de la industria espacial Ajay Kothari ha señalado que la tecnología reutilizable de SpaceX podría hacer para el transporte espacial "lo que hicieron los motores a reacción para el transporte aéreo hace sesenta años cuando la gente nunca imaginó que más de 500 millones de pasajeros viajarían en aviones cada año y que el costo podría reducirse". al nivel que tiene, todo por el volumen de pasajeros y la reutilización confiable ". [70] SpaceX dijo en enero de 2014 que si tenían éxito en el desarrollo de la tecnología reutilizable, serían posibles precios de lanzamiento de alrededor de 5 a 7 millones de dólares para un Falcon 9 reutilizable, [71] y tras la exitosa primera etapa de recuperación en diciembre de 2015, Musk dijo que "la reducción potencial de costos a largo plazo probablemente exceda un factor de 100". [66]
A marzo de 2014[actualizar]Los proveedores de servicios de lanzamiento que compiten con SpaceX no planeaban desarrollar una tecnología similar ni ofrecer opciones de lanzadores reutilizables de la competencia. Ni ILS , que comercializa los lanzamientos del cohete ruso Proton ; Arianespace ; ni SeaLaunch planeaba desarrollar y comercializar servicios de vehículos de lanzamiento reutilizables. SpaceX fue el único competidor que proyectó un mercado suficientemente elástico en el lado de la demanda para justificar el costoso desarrollo de la tecnología de cohetes reutilizables y el gasto de capital privado para desarrollar opciones para esa oportunidad de mercado teórica. [72]
En 2014, el cohete Falcon 9 v1.1 fue diseñado con aproximadamente un 30 por ciento más de capacidad que sus especificaciones oficiales de carga útil; El rendimiento adicional se reservó para que SpaceX realizara pruebas de reingreso y aterrizaje en la primera etapa hacia la reutilización mientras se lograba la entrega de carga útil orbital especificada para los clientes. [73]
Para lograr el beneficio económico total de la tecnología reutilizable, es necesario que la reutilización sea rápida y completa, sin el largo y costoso período de renovación o el diseño parcialmente reutilizable que plagaron los intentos anteriores de vehículos de lanzamiento reutilizables. SpaceX ha sido explícito en que "el enorme potencial para abrir los vuelos espaciales" [74] depende de lograr una reutilización completa y rápida. [28] [68] El CEO Musk declaró en 2014 que el éxito con el esfuerzo de desarrollo de tecnología podría reducir "el costo del vuelo espacial en un factor de 100" [75] porque el costo del propulsor / oxidante en el Falcon 9 es solo del 0.3 por ciento del costo total del vehículo. [76]
Aparte de la competencia en el mercado provocada por los precios de lanzamiento más bajos de SpaceX y el futuro potencial de precios de lanzamiento aún más radicalmente más bajos si la tecnología se puede completar con éxito, Aviation Week dijo en 2014 que "el trabajo de lanzamiento reutilizable de SpaceX es un modelo de I + D ". la audacia del concepto y la velocidad del progreso del programa lo convierten en un ejemplo. ... [el] ritmo vertiginoso de desarrollo ha sido casi como el de Apolo en su ejecución ... [incluso cuando] el éxito está lejos de estar garantizado ". [77]
El 9 de marzo de 2016, la presidenta de SpaceX, Gwynne Shotwell, dio una evaluación más realista de los ahorros potenciales de un lanzamiento reutilizado ahora que los intentos de reutilizar la segunda etapa se habían abandonado debido a problemas de costo y peso. Dijo que un costo de reabastecimiento de combustible de US $ 1 millón y un costo de US $ 3 millones de reacondicionamiento de una primera etapa usada podrían permitir que un lanzamiento tenga un precio tan bajo como US $ 40 millones , un ahorro del 30%. El mayor cliente de SpaceX, SES, dijo que quiere ser el primero en montar un vehículo reutilizado, sin embargo, quiere un precio de lanzamiento de 30 millones de dólares o un ahorro del 50% para compensar el riesgo de ser pionero en el proceso. [78]
Según Elon Musk, casi todas las piezas del Falcon deben reutilizarse más de 100 veces. Los protectores térmicos y algunos otros elementos deben reutilizarse más de 10 veces antes de reemplazarlos. [79] En marzo de 2017, SpaceX anunció avances en sus experimentos para recuperar, y eventualmente reutilizar, el carenado de carga útil de 6 millones de dólares . En la misión SES-10 , una de las mitades del carenado realizó una reentrada atmosférica controlada y un aterrizaje mediante propulsores y un paracaídas orientable; Los carenados finalmente están programados para aterrizar en una estructura flotante de "castillo hinchable". [80]
SpaceX comenzó el re-vuelo de las etapas de refuerzo lanzadas anteriormente en 2017. El primer vuelo se realizó en marzo de 2017, casi un año después del vuelo inaugural del propulsor ; el segundo fue en junio de 2017, solo cinco meses después de su vuelo inaugural. Ambos tuvieron éxito, y tanto las aseguradoras como los clientes de servicios de lanzamiento están apoyando rápidamente al mercado emergente en servicios de lanzamiento proporcionados por impulsores de uso múltiple. [3]
En agosto de 2020, Elon Musk tuiteó que la renovación y reutilización de un refuerzo se realiza por menos del 10% del precio de un nuevo refuerzo, mientras que la reducción de la carga útil es inferior al 40%. Según su tweet, SpaceX se equilibra con un segundo vuelo por refuerzo y ahorra dinero a partir del tercer vuelo. [81] En ese momento, el Falcon 9 Block 5 había realizado 35 vuelos con 11 propulsores.
Viabilidad técnica
Antes del éxito del programa de reutilización en diciembre de 2015, nunca se había logrado el regreso de un cohete propulsor del sistema de lanzamiento orbital, y muchos cuestionaron la viabilidad técnica y económica. E incluso después de este éxito, no se ha intentado la rápida reutilización de un cohete. Desarrollar un cohete reutilizable es extremadamente desafiante debido al pequeño porcentaje de la masa de un cohete que puede llegar a la órbita. [12] [82] Por lo general, la carga útil de un cohete es solo aproximadamente el 3% de la masa del cohete, que también es aproximadamente la cantidad de masa en combustible que se requiere para el reingreso del vehículo. [83]
Elon Musk dijo al comienzo del programa que creía que el retorno, el aterrizaje vertical y la recuperación eran posibles porque las metodologías de fabricación de SpaceX dan como resultado una eficiencia del cohete que excede el margen típico del 3%. Un cohete SpaceX que opera en la configuración reutilizable tiene aproximadamente un 30% menos de capacidad de carga útil que el mismo cohete en una configuración desechable . [25]
Aunque la tecnología del sistema de lanzamiento reutilizable se desarrolló y se usó inicialmente para las primeras etapas de la familia de cohetes Falcon [5] , es particularmente adecuada para el Falcon Heavy, donde los dos núcleos externos se separan del cohete al principio del vuelo y, por lo tanto, son moviéndose más lentamente en la separación de etapas. Por ejemplo, en el vuelo 20 del Falcon 9 , la velocidad de separación fue cercana a los 6000 km / h [84] y esto permitió un regreso cerca del sitio de lanzamiento. En el vuelo 22 , yendo a una órbita GTO más enérgica , la velocidad más alta en la separación estaba entre 8000 y 9000 km / h. A estas velocidades más rápidas, no es posible devolver el propulsor cerca del lugar de lanzamiento para un aterrizaje; si se intenta un aterrizaje, debe estar a cientos de kilómetros de distancia en una nave autónoma .
La reutilización también tiene un impacto en las estimaciones de riesgo. Mientras que los primeros clientes de cohetes reutilizados pidieron un precio más bajo [85], un propulsor que ya ha volado ha demostrado funcionar en condiciones de vuelo realistas. Algunos clientes ahora prefieren los impulsores reutilizados sobre los nuevos. [86]
Desarrollo de reutilización de Falcon 9
En 2013, SpaceX estaba probando tecnologías reutilizables tanto para sus diseños de vehículos de lanzamiento de refuerzo de primera etapa (con tres vehículos de prueba: Grasshopper , F9R Dev1 y F9R Dev2 ) como para su nueva cápsula espacial reutilizable SpaceX Dragon 2 (con una prueba a baja altitud vehículo llamado DragonFly ).
SpaceX ha revelado públicamente un programa de prueba incremental de múltiples elementos para etapas de refuerzo que incluye cuatro aspectos:
- prueba de baja altitud (menos de 760 m / 2500 pies [16] [87] ), de baja velocidad de su demostrador de tecnología Grasshopper de un solo motor en su sitio de prueba de Texas
- Pruebas a baja altitud (menos de 3.000 m / 9.800 pies) a baja velocidad de un vehículo de prueba de tres motores de segunda generación mucho más grande llamado F9R Dev1 . El vehículo de segunda generación incluye patas de aterrizaje extensibles y se probará en el sitio de pruebas de Texas [88]
- Se planearon pruebas a gran altitud y velocidad media, pero se cancelaron a favor de las pruebas de reentrada posteriores a la misión de los impulsores de la primera etapa . Habría utilizado F9R Dev2 en una instalación alquilada por SpaceX en Spaceport America en Nuevo México .
- alta altitud (91 km / 300.000 pies [89] ), muy alta velocidad (aproximadamente 2,0 km / s ; 6.500 km / h; 4.100 mph; Mach 6 [1] ) reentrada balística , deceleración controlada y descenso controlado pruebas de etapas de refuerzo de Falcon 9 posteriores a la misión (gastadas) después de un subconjunto de lanzamientos de Falcon 9 que comenzaron en 2013.
Grasshopper realizó ocho pruebas de vuelo de refuerzo a baja altitud en 2012 y 2013. La primera prueba de descenso controlado de retorno de refuerzo desde gran altitud se realizó en septiembre de 2013, con una segunda prueba en abril, [26] [29] [90] un tercer vuelo de prueba en julio [91] y una cuarta prueba en septiembre de 2014. Los cuatro vuelos de prueba hasta la fecha estaban destinados a ser aterrizajes simulados sobre el agua. [36] Se realizaron cinco pruebas de vuelo de refuerzo a baja altitud del F9R Dev1 durante abril-agosto de 2014, antes de que el vehículo se autodestruyera por razones de seguridad en el quinto vuelo. [92] [93]
Vehículos de prueba de vuelo
SpaceX utilizó un conjunto de vehículos de lanzamiento suborbitales reutilizables (RLV) de demostración de tecnología experimental para comenzar a probar en vuelo sus tecnologías de refuerzo reutilizables en 2012. Se construyeron dos versiones del prototipo de cohetes de prueba reutilizables: el Grasshopper de 106 pies (32 m) de altura ( anteriormente designado como Grasshopper v1.0 ) y el vehículo de desarrollo reutilizable Falcon 9 de 160 pies (49 m) de altura , o F9R Dev1 , anteriormente conocido como Grasshopper v1.1 [74] , así como un prototipo de cápsula para probar aterrizajes propulsivos de la tripulación Dragon y la cápsula de carga del Falcon 9— DragonFly . [74] Grasshopper se construyó en 2011-2012 para pruebas de vuelo estacionario a baja altitud y baja velocidad que comenzaron en septiembre de 2012 y concluyeron en octubre de 2013 después de ocho vuelos de prueba. [16] [17] [74] El segundo diseño de vehículo prototipo, F9R Dev1, se construyó en la etapa de refuerzo Falcon 9 v1.1 mucho más grande y se usó para extender aún más la envolvente de prueba de vuelo a baja altitud en un vehículo que coincidía mejor con el hardware de vuelo real, y realizó cinco vuelos de prueba en 2014. [74] [94] [95] Los vuelos de baja altitud y baja velocidad de los cohetes y la cápsula del vehículo de prueba se llevaron a cabo en las instalaciones de prueba de cohetes SpaceX en McGregor, Texas [ 16] [17] [74]
SpaceX indicó en noviembre de 2018 que consideraron probar una segunda etapa Falcon 9 muy modificada que se vería como una " nave mini- BFR " y se usaría para las pruebas de reentrada atmosférica de una serie de tecnologías necesarias para la nave espacial a gran escala , incluida una ultra -superficies de control de calor ligero y alto- Mach , [96] [97] pero dos semanas después, Musk descartó el enfoque a favor de usar un BFR de diámetro completo en su lugar. [98]
Saltamontes
Grasshopper, el primer vehículo de prueba VTVL de la compañía , consistía en un tanque de primera etapa Falcon 9 v1.0 , un solo motor Merlin-1D y cuatro patas de aterrizaje de acero fijadas permanentemente. Tenía 106 pies (32 m) de altura. [17] SpaceX construyó una instalación de lanzamiento de hormigón de 0,20 ha (0,5 acres) en su instalación de pruebas y desarrollo de cohetes en McGregor, Texas, para respaldar el programa de pruebas de vuelo de Grasshopper. [99] Grasshopper también se conocía como Grasshopper versión 1.0, o Grasshopper v1.0, antes de 2014 durante el tiempo en que se estaban construyendo los siguientes vehículos de prueba de la clase Grasshopper.
Además de tres vuelos de prueba en 2012, cinco pruebas adicionales se realizaron con éxito a fines de octubre de 2013, incluida la cuarta prueba en general en marzo de 2013, en la que Grasshopper duplicó su salto más alto para elevarse a 80,1 metros (263 pies) con 34 -segundo vuelo. [100] En la séptima prueba, en agosto de 2013, el vehículo voló a 250 metros (820 pies) durante un vuelo de 60 segundos y ejecutó una maniobra lateral de 100 metros (330 pies) antes de regresar a la plataforma. [101] Grasshopper realizó su octavo y último vuelo de prueba el 7 de octubre de 2013, volando a 744 metros (2,441 pies) antes de realizar su octavo aterrizaje exitoso. [102] El vehículo de prueba Grasshopper ahora está retirado. [103]
Vehículo de desarrollo reutilizable Falcon 9
Ya en octubre de 2012, SpaceX discutió el desarrollo de un vehículo de prueba Grasshopper de segunda generación, que debía tener patas de aterrizaje más livianas que se plegaran en el costado del cohete, un compartimiento de motor diferente y sería casi un 50% más largo que el primero. Vehículo saltamontes. [95] En marzo de 2013, SpaceX anunció que el vehículo de vuelo suborbital clase Grasshopper más grande se construiría a partir del tanque de primera etapa Falcon 9 v1.1 que se usó para las pruebas de calificación en las instalaciones de prueba y desarrollo de cohetes SpaceX a principios de 2013. Fue reconstruido como el F9R Dev1 con patas de aterrizaje extensibles. En 2014 se realizaron cinco vuelos de prueba [74].
El segundo vehículo de prueba de vuelo VTVL, el F9R Dev1, construido sobre el tanque de primera etapa Falcon 9 v1.1, mucho más largo , con patas de aterrizaje retráctiles, realizó su primer vuelo de prueba el 17 de abril de 2014. [74] [92] El F9R Dev1 fue utilizado para vuelos de prueba a baja altitud en el área de McGregor, Texas, altitud máxima proyectada por debajo de los 3,000 metros (10,000 pies) [74], con un total de cinco vuelos de prueba, todos realizados durante 2014. Este vehículo se autodestruyó como medida de seguridad durante su quinto vuelo de prueba el 22 de agosto de 2014. [104]
Para abril de 2014, se estaba construyendo un tercer vehículo de prueba de vuelo, F9R Dev2, y se planeó volar en el rango de prueba de gran altitud disponible en Spaceport America en Nuevo México, donde se esperaba que volara a altitudes de hasta 91,000 metros ( 300,000 pies) -más. [74] Nunca fue volado ya que SpaceX trasladó el programa de pruebas a gran altitud a su prueba de descenso controlado de propulsores usados después de su uso en un lanzamiento y ascenso orbital pagado.
Libélula
DragonFly fue un artículo de prueba prototipo para una versión con aterrizaje propulsor de la cápsula SpaceX Dragon , un vehículo de lanzamiento reutilizable suborbital (RLV), destinado a pruebas de vuelo a baja altitud . En mayo de 2014 [actualizar]se planeó someterse a un programa de prueba en Texas en la instalación de prueba de cohetes McGregor, durante 2014–2015. [32] [105] [ necesita actualización ]
El vehículo de prueba DragonFly está propulsado por ocho motores SuperDraco , dispuestos en un patrón redundante para soportar la tolerancia a fallas en el diseño del sistema de propulsión. [106] SuperDracos utilizan un propelente almacenable mezcla de monometil hidracina (MMH) de combustible y nitrógeno tetróxido de oxidante (NTO), los mismos propelentes utilizados en los mucho más pequeñas Draco propulsores utilizados para el control de actitud y de maniobra en la primera generación del dragón nave espacial . [105] Si bien los motores SuperDraco tienen una capacidad de 73,000 newtons (16,400 lbf) de empuje, durante el uso en el vehículo de prueba de vuelo DragonFly, cada uno se acelerará a menos de 68,170 newtons (15,325 lbf) para mantener la estabilidad del vehículo. [105]
Se propuso un programa de vuelo de prueba de treinta vuelos en 2013-2014, incluidos dos propulsores de asistencia (paracaídas más propulsores) y dos aterrizajes propulsivos (sin paracaídas) en vuelos lanzados desde un helicóptero a una altitud de aproximadamente 10.000 pies (3.000 m). Se proyectó que los otros 26 vuelos de prueba despegarían de una plataforma : ocho para ser saltos de asistencia de propulsión (aterrizaje con paracaídas más propulsores) y 18 para ser saltos de propulsión completa , similares a los vuelos de prueba de la etapa de refuerzo Grasshopper y F9R Dev . [105] [106] A partir de 2014[actualizar], no se esperaba que el programa de prueba DragonFly comenzara hasta después de la finalización de las pruebas de refuerzo F9R Dev1 en las instalaciones de McGregor. [106] [ necesita actualización ]
Pruebas de vuelo posteriores a la misión del propulsor Falcon 9
En una disposición muy inusual para los vehículos de lanzamiento, SpaceX comenzó en 2013 a utilizar algunas de las primeras etapas de los cohetes Falcon 9 v1.1 para pruebas de vuelo de descenso controlado de retorno de propulsión después de completar la fase de impulso de un vuelo orbital. Desde el advenimiento de los vuelos espaciales en 1957 , los propulsores de los vehículos de lanzamiento normalmente se descartarían después de poner sus cargas útiles en su camino. Las pruebas sobre el agua iniciadas por SpaceX se llevaron a cabo en los océanos Pacífico y Atlántico al sur de la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg y al este de la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral . La primera prueba de vuelo ocurrió el 29 de septiembre de 2013, luego de la segunda etapa con las cargas útiles CASSIOPE y nanosat separadas del propulsor. Estas pruebas de descenso y aterrizaje simulado continuaron durante los siguientes dos años, y la segunda prueba de vuelo tuvo lugar el 18 de abril de 2014, [26] [29] [90] dos pruebas más en 2014 y cuatro pruebas posteriores realizadas en 2015. [ 107] SpaceX continuó realizando cambios iterativos e incrementales en el diseño del propulsor, así como en las tecnologías reutilizables específicas, el perfil de descenso y los márgenes del propulsor, en algunos vuelos Falcon 9 y Falcon Heavy 2016-2018 para ajustar el diseño y los parámetros operativos. Muchas de estas pruebas de descenso y aterrizaje se probaron en misiones de vuelos espaciales orbitales activos para los clientes de SpaceX cuando el propulsor volvía a entrar en la atmósfera e intentaba realizar aterrizajes recuperables.
Reingreso y descenso controlado
Tras el análisis de los datos de prueba de vuelo del primer descenso controlado por refuerzo en septiembre de 2013, SpaceX anunció que había probado con éxito una gran cantidad de nueva tecnología en el vuelo, y eso junto con los avances tecnológicos realizados en el demostrador de aterrizaje a baja altitud Grasshopper. , estaban listos para probar una recuperación completa de la etapa de refuerzo. La primera prueba de vuelo fue exitosa; SpaceX dijo que fue "capaz de pasar con éxito del vacío al hipersónico , al supersónico , al transónico , y encender los motores hasta el final y controlar el escenario hasta el final [de la atmósfera]". [25] Musk dijo, "el próximo intento de recuperar [sic] la primera etapa del Falcon 9 será en el cuarto vuelo del cohete mejorado. Este sería [el] tercer vuelo comercial de carga Dragon a la ISS". [27]
Esta segunda prueba de vuelo tuvo lugar durante el vuelo de Dragon de abril de 2014 a la ISS. SpaceX conectó patas de aterrizaje a la primera etapa, la desaceleró sobre el océano e intentó un aterrizaje simulado sobre el agua, luego del encendido de la segunda etapa en la tercera misión de reabastecimiento de carga contratada por la NASA. La primera etapa se ralentizó con éxito lo suficiente para un aterrizaje suave sobre el Océano Atlántico. [29] SpaceX anunció en febrero de 2014 la intención de continuar las pruebas para aterrizar el propulsor de primera etapa en el océano hasta que se haya probado el control de precisión desde los regímenes hipersónicos hasta los regímenes subsónicos. [90] Se llevaron a cabo cinco pruebas adicionales de descenso controlado en el resto de 2014 hasta abril de 2015, incluidos dos intentos de aterrizar en una plataforma de aterrizaje flotante, una nave autónoma con puerto espacial para aviones no tripulados construida por SpaceX, en el Océano Atlántico al este del sitio de lanzamiento. ambos llevaron el vehículo a la plataforma de aterrizaje, pero ninguno de los cuales resultó en un aterrizaje exitoso.
Primer aterrizaje en la plataforma de tierra
Durante la pausa del lanzamiento de 2015 , SpaceX solicitó la aprobación regulatoria de la FAA para intentar regresar su próximo vuelo a Cabo Cañaveral en lugar de apuntar a una plataforma flotante en el océano. El objetivo era aterrizar el propulsor verticalmente en la instalación alquilada de Landing Zone 1 , el antiguo Launch Complex 13 donde SpaceX había construido recientemente una gran plataforma de aterrizaje de cohetes. [108] La FAA aprobó el plan de seguridad para el aterrizaje en tierra el 18 de diciembre de 2015. [109] La primera etapa aterrizó con éxito en el objetivo a las 20:38 hora local del 21 de diciembre (01:38 UTC del 22 de diciembre). [110] [107]
El propulsor de primera etapa B1019 nunca volvió a volar después del vuelo. [111] Más bien, el cohete se movió unas pocas millas al norte de las instalaciones del hangar SpaceX en la plataforma de lanzamiento 39A , recientemente remodelado por SpaceX en el Centro Espacial Kennedy adyacente , donde fue inspeccionado antes de ser utilizado el 15 de enero de 2016, para realizar una prueba de fuego estático en su plataforma de lanzamiento original, Launch Complex 40 . [112] Esta prueba tenía como objetivo evaluar la salud del propulsor recuperado y la capacidad de este diseño de cohete para volar repetidamente en el futuro. [113] [107] Las pruebas arrojaron buenos resultados generales a excepción de uno de los motores externos que experimentó fluctuaciones de empuje. [113] Elon Musk informó que esto puede deberse a la ingestión de escombros. [114] El propulsor se retiró luego a las instalaciones de SpaceX en Hawthorne, California.
Intentos de aterrizaje en barcos de aviones no tripulados
El vuelo 21 del Falcon 9 lanzó el satélite Jason-3 el 17 de enero de 2016 e intentó aterrizar en la plataforma flotante Just Read the Instructions , [115] ubicada por primera vez a unas 200 millas (320 km) en el Océano Pacífico . Aproximadamente a los 9 minutos de vuelo, la transmisión de video en vivo del barco de aviones no tripulados se interrumpió debido a que perdió su bloqueo en el satélite de enlace ascendente. El vehículo aterrizó suavemente en el barco, pero una de las cuatro patas de aterrizaje no se bloqueó correctamente, según se informa debido al hielo de la densa niebla previa al lanzamiento que impidió que se enganchara un collar de bloqueo. [116] En consecuencia, el propulsor se cayó poco después del aterrizaje y se destruyó en una deflagración al impactar con la plataforma. [117] [118]
El vuelo 22 llevaba una carga útil pesada de 5.271 kilogramos (12.000 libras) a la órbita de transferencia geoestacionaria (GTO). Esto fue más pesado que la capacidad máxima de elevación a GTO previamente anunciada, lo que se hizo posible al ser ligeramente subsincrónico . Tras los retrasos causados por la falla del vuelo 19, SpaceX acordó proporcionar un empuje adicional al satélite SES-9 para que sea supersincrónico . [119] Como resultado de estos factores, quedaba poco propulsor para ejecutar una prueba completa de reentrada y aterrizaje con márgenes normales. En consecuencia, la primera etapa del Falcon 9 siguió una trayectoria balística después de la separación y volvió a entrar en la atmósfera a alta velocidad, por lo que es menos probable que aterrice con éxito. [120] [119] El reingreso atmosférico y el descenso controlado fueron exitosos a pesar de las mayores limitaciones aerodinámicas en la primera etapa debido a la velocidad adicional. Sin embargo, el cohete se movía demasiado rápido y fue destruido cuando chocó con la nave del avión no tripulado. SpaceX recopiló datos valiosos sobre el sobre de vuelo extendido requerido para recuperar propulsores de misiones GTO.
Primeros desembarcos en el mar
A partir de enero de 2015, SpaceX colocó plataformas flotantes estables a unos cientos de millas de la costa a lo largo de la trayectoria del cohete; esas barcazas transformadas se llamaron naves de drones autónomos del puerto espacial . [121] El 8 de abril de 2016, el vuelo 23 del Falcon 9, el tercer vuelo de la versión de empuje completo , entregó la carga SpaceX CRS-8 en su camino a la Estación Espacial Internacional, mientras que la primera etapa llevó a cabo un retroceso y reingreso. maniobra sobre el océano Atlántico. Nueve minutos después del despegue, el propulsor aterrizó verticalmente en la nave de drones Of Course I Still Love You , a 300 km de la costa de Florida, logrando un hito muy buscado para el programa de desarrollo de reutilización de SpaceX. [122]
Un segundo aterrizaje exitoso de un avión no tripulado ocurrió el 6 de mayo de 2016, con el siguiente vuelo que lanzó JCSAT-14 a GTO. Este segundo aterrizaje en el mar fue más difícil que el anterior porque el propulsor en la separación viajaba a unos 8,350 km / h (5,190 mph) en comparación con los 6,650 km / h (4,130 mph) en el lanzamiento del CRS-8 a la órbita terrestre baja . [123] Continuando con sus experimentos para probar los límites de la envolvente de vuelo, SpaceX optó por una quema de aterrizaje más corta con tres motores en lugar de las quemaduras de un solo motor vistas en intentos anteriores; este enfoque consume menos combustible al dejar la etapa en caída libre el mayor tiempo posible y desacelerar más bruscamente, minimizando así la cantidad de energía gastada para contrarrestar la gravedad. [124] Elon Musk indicó que es posible que esta primera etapa no se vuelva a volar en lugar de ser utilizada como líder vital para las pruebas en tierra para confirmar que otras son buenas. [125]
Un tercer aterrizaje exitoso siguió el 27 de mayo, nuevamente luego de la desaceleración de la alta velocidad requerida para el lanzamiento de un GTO. El aterrizaje aplastó un "núcleo de aplastamiento" en una pierna, lo que provocó una inclinación notable en el escenario mientras se encontraba en el barco de aviones no tripulados. [62]
Procedimiento de rutina
Durante las misiones posteriores, el aterrizaje de la primera etapa se convirtió gradualmente en un procedimiento de rutina y, desde enero de 2017, SpaceX dejó de referirse a sus intentos de aterrizaje como "experimentales". Las misiones de baja energía a la ISS vuelan de regreso al sitio de lanzamiento y aterrizan en LZ-1 , mientras que las misiones satelitales más exigentes aterrizan en barcos de aviones no tripulados unos cientos de millas más abajo. Las misiones ocasionales con cargas útiles pesadas, como EchoStar 23 , no intentan aterrizar, volando en una configuración prescindible sin aletas ni patas.
Durante 2016 y 2017, SpaceX ha recuperado una serie de primeras etapas tanto para barcos terrestres como para aviones no tripulados, ayudándoles a optimizar los procedimientos necesarios para reutilizar los propulsores rápidamente. En enero de 2016, Elon Musk estimó la probabilidad de éxito en un 70 por ciento para todos los intentos de aterrizaje en 2016, y con suerte aumentará al 90 por ciento en 2017; también advirtió que deberíamos esperar "algunos RUD más" ( Desmontaje rápido no programado , eufemismo de Musk para denotar la destrucción del vehículo en el impacto). [126] La predicción de Musk fue justificada, ya que 5 de los 8 propulsores volados (63%) se recuperaron en 2016, y 14 de 14 (100%) en 2017. Tres misiones GTO para cargas útiles pesadas ( EchoStar 23 en marzo de 2017, Inmarsat-5 F4 en mayo de 2017 e Intelsat 35e en julio de 2017) se volaron en una configuración prescindible , no equipada para aterrizar. Un propulsor que podría haberse recuperado se voló intencionalmente sin piernas y se dejó hundir después de un aterrizaje suave en el océano (propulsor B1036 para la misión Iridium NEXT 31–40 en diciembre de 2017).
Reutilización de primera etapa
A 6 de agosto de 2018[actualizar], SpaceX había recuperado 21 impulsores de primera etapa de misiones anteriores , de los cuales seis se recuperaron dos veces, lo que arrojó un total de 27 aterrizajes. En 2017, SpaceX voló un total de 5 misiones de 20 con refuerzos reutilizados (25%). En total, se han vuelto a volar 14 propulsores hasta agosto de 2018[actualizar].
El 28 de julio de 2016, la primera etapa de la misión JCSAT-2B fue probada con éxito durante una duración completa en las instalaciones de SpaceX McGregor. [127] El primer intento de reutilización se produjo el 30 de marzo de 2017 [128] con el lanzamiento del SES-10 , [129] lo que resultó en un vuelo exitoso y un segundo aterrizaje de la primera etapa B1021 recuperada de la misión CRS-8 de abril de 2016. [130] Otro reflight tuvo éxito en junio de 2017 con BulgariaSat-1 montando el propulsor B1029 de la misión Iridium NEXT de enero de 2017 . [131] Booster B1031 voló la misión CRS-10 a la ISS en febrero de 2017 y ayudó al satélite de comunicaciones de loft SES-11 a la órbita geoestacionaria en octubre de 2017. Los impulsores B1035 y B1036 volaron dos veces para el mismo cliente, B1035 para las misiones de la NASA CRS -11 y CRS-13 en junio y diciembre de 2017, y B1036 para dos lotes de 10 satélites Iridium NEXT , también en junio y diciembre de 2017. B1032 se reutilizó para GovSat-1 en enero de 2018 después de NROL-76 en mayo de 2017.
SpaceX pasó cuatro meses restaurando el primer amplificador que se reutilizará, B1021 , y lo lanzó nuevamente después de aproximadamente un año. [132] El segundo propulsor que se voló a volar, el B1029 , se reacondicionó en "solo un par de meses" [3] y se volvió a lanzar después de cinco meses. [131] Elon Musk ha declarado el objetivo de dar la vuelta a una primera etapa en 24 horas. [133] Musk sigue convencido de que este objetivo a largo plazo puede cumplirse con la tecnología de cohetes SpaceX, [134] pero no ha declarado que el objetivo se alcanzaría con el diseño del Falcon 9.
Los impulsores B1019 y B1021 se retiraron y se exhibieron. [ cuando? ] B1029 también se retiró después de la misión BulgariaSat-1 . B1023, B1025, B1031 y B1035 se recuperaron por segunda vez, mientras que B1032 y B1036 se hundieron deliberadamente en el mar después de un aterrizaje suave en el océano. [ cita requerida ]
A mediados de 2019, después de haber refluido un solo refuerzo solo tres veces hasta la fecha, SpaceX indicó que planean usar un solo refuerzo al menos cinco veces para fines de 2019. [135] Ningún refuerzo logró esto, pero B1048 voló cuatro veces y dos más ( B1046 y B1049 ) realizaron un cuarto vuelo en enero de 2020. En marzo de 2020, SpaceX voló por primera vez un propulsor ( B1048 ) por quinta vez. [136]
Reutilización de Falcon Heavy
El vuelo de prueba de Falcon Heavy no tenía un cliente contratado, y para limitar el costo de dicho vuelo de prueba, SpaceX apuntó a reutilizar los impulsores laterales. Los propulsores B1023 y B1025 que habían volado como configuración Falcon 9, se reconfiguraron y usaron como propulsores laterales en el primer vuelo del Falcon Heavy en febrero de 2018, y luego ambos aterrizaron uno al lado del otro casi al mismo tiempo en las plataformas de tierra. Los vuelos posteriores de Falcon Heavy utilizaron nuevos propulsores o propulsores laterales que anteriormente volaban en un Falcon Heavy. SpaceX no ha podido recuperar el núcleo central en ninguno de los tres Falcon Heavy, pero logró recuperar todos los impulsores de seis lados. [137]
Impulsores del bloque 5
Con una racha de 19 intentos de recuperación exitosos de la primera etapa desde 2016 hasta principios de 2018, SpaceX se ha centrado en la rápida reutilización de los impulsores de la primera etapa. El bloque 3 y el bloque 4 demostraron ser económicamente viables para volar dos veces, ya que 11 de estos impulsores se han refluido en 2017 y 2018. El bloque 5 se ha diseñado teniendo en cuenta múltiples reutilizaciones, hasta 10 reutilizaciones con una inspección mínima y hasta 100 usos con renovación. . [138] Se experimentaron nuevos perfiles de reentrada agresivos con refuerzos prescindibles del Bloque 3 y del Bloque 4 a principios de 2018, para probar las limitaciones en el rango de márgenes de lanzamiento recuperables que son potenciales para el futuro Bloque 5. [139] El 9 de mayo de 2021, B1051 se convirtió en el primer propulsor que se lanzó y aterrizó por décima vez, logrando uno de los objetivos clave de SpaceX para la reutilización. [140]
Reutilización de carenado
Los carenados de carga útil han sido tradicionalmente prescindibles , donde se quemaron en la atmósfera o se destruyeron al impactar el océano. Ya a mediados de 2015, Musk insinuó que SpaceX podría estar trabajando en la reutilización del carenado, luego del descubrimiento de los restos de una sección no identificada del vehículo de lanzamiento Falcon 9 frente a la costa de Las Bahamas , y SpaceX confirmó posteriormente que era un componente de un carenado de carga útil que había llegado a la orilla. [141] En abril de 2016, SpaceX había anunciado públicamente la recuperación del carenado Falcon 9 como un objetivo. [42] El costo del carenado es de aproximadamente $ 6 millones por lanzamiento, lo que representa aproximadamente el diez por ciento de los costos generales de lanzamiento. [142] Musk dijo en 2017: "Imagínese si tuviera 6 millones de dólares en efectivo en un palé volando por el aire y se estrellara contra el océano. ¿Trataría de recuperar eso? Sí, sí lo haría". [143]
En marzo de 2017, como parte de la misión SES-10 , SpaceX realizó por primera vez un aterrizaje controlado del carenado de carga útil y recuperó con éxito una mitad del carenado, con la ayuda de propulsores de control de actitud y un paracaídas orientable , ayudándolo a deslizarse hacia una suave aterrizaje en el agua. [2] [42] La compañía anunció la intención de aterrizar los carenados eventualmente en una estructura seca y flexible, descrita en broma por Musk como un "castillo hinchable flotante", con el objetivo de reutilizar completamente el carenado. [80] Con sucesivas pruebas y refinamientos en varios vuelos, la recuperación del carenado intacto se estableció como un objetivo para 2017, y se planeó volver a encender un carenado recuperado en 2018. [43]
El meme del "castillo hinchable" era de hecho una red tendida entre los grandes brazos de un barco de suministro de plataforma rápida llamado Mr. Steven (ahora GO Ms. Tree) . El buque de recuperación está equipado con sistemas de posicionamiento dinámico y fue probado después del lanzamiento del satélite Paz desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en 2017. [144] [145] Esta misión también fue la primera en usar un carenado versión 2, diseñado explícitamente para "mejorar la capacidad de supervivencia para los intentos de recuperación posteriores al lanzamiento y ser reutilizable en misiones futuras". [146] Este intento de recuperación no fue del todo satisfactorio; el carenado perdió el barco por unos pocos cientos de metros, pero aterrizó intacto en el agua [147] antes de ser recuperado y llevado de regreso a puerto. [145] A agosto de 2018[actualizar], Los cuatro intentos de SpaceX a la tierra un carenado en un barco de rescate había fracasado, a pesar de montar el Sr. Steven con redes más grandes antes del intento de julio de 2018. [148] [149]
En octubre de 2018, se realizaron al menos dos pruebas de recuperación de carenado, en las que participaron el señor Steven y un helicóptero, que dejaría caer la mitad del carenado desde una altura de unos 3300 metros. El resultado de las pruebas no estaba claro. [150]
En abril de 2019, durante la segunda misión Falcon Heavy, el barco de recuperación Go Searcher sacó las mitades del carenado del mar y se anunció que los carenados se utilizarían en una misión Starlink . [151] Estos carenados se reutilizaron en una misión Starlink el 11 de noviembre de 2019. [152]
En junio de 2019, después del tercer lanzamiento de Falcon Heavy, se realizó la primera captura de carenado exitosa. Las imágenes publicadas en Twitter horas después del lanzamiento mostraron la mitad del carenado ubicado en la red del barco de recuperación GO Ms. Tree . [153]
A fines de 2020, SpaceX recuperaba regularmente los carenados de carga útil, y SpaceX enviaba dos naves de recuperación modificadas a medida, la Sra. Tree y la Sra. Chief, para recolectar los carenados en la mayoría de los lanzamientos desde su sitio de lanzamiento de Florida. En ese momento, SpaceX también volvía a enviar regularmente los carenados recuperados en los lanzamientos, generalmente en sus propios vuelos, donde los satélites Starlink son la carga útil principal o única. A agosto de 2020[actualizar] sin embargo, los aterrizajes exitosos con redes aún no eran rutinarios, con menos de la mitad de los carenados de los tres meses anteriores atrapados en las redes, pero la mayoría aún se recuperaron de todos modos después de un aterrizaje suave en el océano.
Para abril de 2021, SpaceX había abandonado el programa experimental para intentar la recuperación de los carenados de carga útil seca bajo el descenso en paracaídas en una red en un barco rápido . SpaceX decidió poner en funcionamiento la "recuperación en húmedo" de los carenados en futuros vuelos del Falcon 9, habiendo descubierto que pueden limpiar, renovar y reutilizar dichos carenados de forma más económica. [154]
Para el 26 de mayo de 2021, SpaceX había lanzado 40 vuelos que reflejaban al menos una mitad de carenado volado anteriormente, y un carenado había volado en cinco vuelos diferentes, habiendo sido recuperado y limpiado cuatro veces antes. [143]
Reutilización de segunda etapa
A pesar de las primeras declaraciones públicas de que SpaceX se esforzaría por hacer que la segunda etapa del Falcon 9 también sea reutilizable, a fines de 2014, determinaron que la masa necesaria para un escudo térmico de reentrada, motores de aterrizaje y otros equipos para respaldar la recuperación de la segunda etapa. etapa así como el desvío de recursos de desarrollo de otros objetivos de la compañía era en ese momento prohibitivo, y suspendió indefinidamente sus planes de reutilización de segunda etapa para los cohetes Falcon. [155] [156] Sin embargo, en julio de 2017 [43] indicaron que podrían hacer pruebas experimentales para recuperar una o más segundas etapas para aprender más sobre la reutilización para informar su proceso de desarrollo de Starship , [157] y en mayo 2018 proporcionó detalles adicionales sobre cómo podrían llevar a cabo algunas de esas pruebas. [158]
Se planea que la nave espacial reemplace todos los vehículos espaciales y de lanzamiento SpaceX existentes después de mediados de la década de 2020: Falcon 9 , Falcon Heavy y la nave espacial Dragon , destinados inicialmente al mercado de lanzamiento en órbita terrestre pero con capacidad para soportar vuelos espaciales de larga duración en el cislunar. y entornos de misión a Marte . [159] Ambas etapas serán completamente reutilizables. El diseño integrado de segunda etapa, con nave espacial , no se ha utilizado en vehículos de lanzamiento anteriores. [159]
Reutilización de cápsulas Dragon
Las cápsulas Dragon de SpaceX se han mejorado gradualmente para su reutilización. Los elementos estructurales y los componentes internos se están renovando entre vuelos, mientras que el escudo térmico se reemplaza para cada nueva misión. La última cápsula de carga Dragon de nueva construcción voló por primera vez en julio de 2017; todas las misiones de reabastecimiento de la EEI posteriores se llevaron a cabo con cápsulas reacondicionadas, [160] algunas cápsulas realizaron un tercer vuelo. [161] [162] La sección del baúl de Dragon no se puede reutilizar, ya que está diseñada para quemarse en la atmósfera después de completar su misión. [163]
También se planea reutilizar SpaceX Dragon 2 . Inicialmente se planeó utilizar nuevas cápsulas para todas las misiones tripuladas de la NASA [164] pero la experiencia con las misiones de demostración llevó a la NASA y SpaceX a acordar la reutilización a partir de Crew-2 . [165] [166]
Flujo operativo
En el primer año de regreso exitoso a la etapa de los vuelos de prueba experimentales, SpaceX realizó evaluaciones ad hoc y específicas de vuelo y pruebas de componentes en cada etapa aterrizada con éxito. Las etapas se procesaron y evaluaron inicialmente en los hangares de lanzamiento, o para los aterrizajes en Cabo Cañaveral, en el nuevo hangar que SpaceX completó recientemente en el Complejo de Lanzamiento 39 del Centro Espacial Kennedy . Las piezas devueltas del cohete también se han transportado a SpaceX Hawthorne y SpaceX McGregor para evaluaciones y pruebas de ingeniería.
En febrero de 2017, después de que ocho núcleos de cohetes aterrizaran con éxito, siete de ellos se lanzaron desde Cabo Cañaveral, SpaceX anunció planes para expandir sus instalaciones físicas para procesar y restaurar cohetes. Lo harán tanto en el espacio alquilado como en un nuevo edificio que se construirá en Puerto Cañaveral , Florida , cerca de la ubicación donde está atracado el buque de aviones no tripulados del puerto espacial autónomo del Atlántico , y donde ahora se retiran las etapas que aterrizan en el buque de aviones no tripulados de la costa este. el barco. [167]
Desarrollo de la reutilización de naves estelares
Starhopper
La construcción del Starhopper [168] [169] se inició a principios de diciembre de 2018 y el marco externo y la piel se completaron el 10 de enero de 2019. Construido al aire libre en una propiedad de SpaceX a solo dos millas (3,2 km) de la playa de Boca Chica en el sur de Texas , el cuerpo externo del cohete se unió rápidamente en menos de seis semanas. Originalmente pensado por los observadores de la construcción en el sitio de lanzamiento de SpaceX South Texas como la construcción inicial de una gran torre de agua, el vehículo de acero inoxidable fue construido por soldadores y trabajadores de la construcción en una forma de construcción de astillero más que en la fabricación aeroespacial tradicional . El vehículo Starhopper completo tiene 9 metros (30 pies) de diámetro y originalmente tenía 39 metros (128 pies) de altura en enero de 2019. [170] [171] Los daños posteriores del viento en la nariz del vehículo dieron como resultado la decisión de SpaceX de desechar la sección de morro y volar las pruebas de tolva de baja velocidad sin cono de morro, lo que resulta en un vehículo de prueba mucho más corto. [172]
Desde mediados de enero hasta principios de marzo, un enfoque principal de la fabricación del artículo de prueba fue completar la construcción del recipiente a presión para los tanques de metano líquido y oxígeno líquido, incluida la instalación de tuberías del sistema y el movimiento de la sección inferior del tanque del vehículo. dos millas (3,2 km) hasta la plataforma de lanzamiento el 8 de marzo. [173] Las pruebas del sistema integrado del Starhopper, con el equipo de apoyo terrestre (GSE) recién construido en las instalaciones de SpaceX South Texas, comenzaron en marzo de 2019. "Estas pruebas involucraron alimentar Starhopper con LOX y metano líquido y probar los sistemas de presurización, observó a través de la formación de hielo de las líneas de propulsante que conducen al vehículo y la ventilación de la ebullición criogénica en el sitio de lanzamiento / prueba. Durante un período de más de una semana, StarHopper se sometió a pruebas de tanque casi a diario, ensayos generales húmedos y algunas pruebas previas al quemador ". [174]
Después de las pruebas iniciales del sistema integrado del vehículo de prueba Starhopper con el motor Raptor número de serie 2 (Raptor S / N 2) a principios de abril, el motor se retiró para el análisis posterior a la prueba y se realizaron varias adiciones al Starhopper . Se agregaron propulsores del sistema de control de actitud al vehículo, junto con amortiguadores para las patas de aterrizaje no retráctiles y conexiones de desconexión rápida para los umbilicales . El Raptor S / N 4 se instaló a principios de junio para realizar comprobaciones de ajuste, pero se esperaba que el primer vuelo de prueba que no está atado volara con el Raptor S / N 5, [172] hasta que sufrió daños durante las pruebas en la instalación de pruebas y desarrollo de cohetes SpaceX. , en McGregor, Texas. Posteriormente, Raptor S / N 6 fue el motor utilizado por Starhopper para sus vuelos sin ataduras. [175] Después del vuelo de Starhopper, los Starships SN5 y SN6 realizaron saltos de 150 metros, cada uno seguido de un aterrizaje exitoso en la pista de aterrizaje adyacente. Las naves espaciales SN8, SN9 y SN10 volaron posteriormente vuelos de prueba a gran altitud, pero SN8 y SN9 fueron destruidos en intentos fallidos de aterrizaje, y el SN10 explotó varios minutos después de un aterrizaje forzoso.
Ver también
- New Shepard , un sistema VTVL suborbital
- Saltamontes (cohete)
Referencias
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(@ 18:15 Es un problema de ingeniería muy difícil, y no era algo que pensara, no estaba seguro de que pudiera resolverse por un tiempo. Pero luego, relativamente recientemente, en los últimos 12 meses más o menos, Llegué a la conclusión de que se puede resolver. Y SpaceX va a intentar hacerlo. Ahora, podríamos fallar. No estoy diciendo que estemos seguros de éxito aquí, pero vamos a intentar hacerlo. Y tenemos un diseño que, en papel, haciendo los cálculos, haciendo las simulaciones, funciona. Ahora tenemos que asegurarnos de que esas simulaciones y la realidad concuerden, porque generalmente cuando no lo hacen, la realidad gana. determinado.)
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P. ¿Cuál es la estrategia de recuperación de refuerzo? Almizcle: la prueba de recuperación inicial será un aterrizaje en el agua. La primera etapa continúa en arco balístico y ejecuta una quema de reducción de velocidad antes de que ingrese a la atmósfera para disminuir el impacto. Justo antes del amerizaje, se volverá a encender el motor. Enfatiza que no esperamos éxito en los primeros intentos. Con suerte, el próximo año, con más experiencia y datos, deberíamos poder devolver la primera etapa al lugar de lanzamiento y hacer un aterrizaje de propulsión en tierra usando piernas. P. ¿Hay un vuelo identificado para regresar al sitio de lanzamiento del propulsor? Musk: No. Probablemente será a mediados del próximo año.
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El vuelo del F9R Dev 1 del 17 de abril, que duró menos de 1 minuto, fue la primera prueba de aterrizaje vertical de una primera etapa recuperable del Falcon 9 v1.1 representativa de la producción, mientras que el vuelo de carga del 18 de abril a la ISS fue la primera oportunidad para SpaceX. para evaluar el diseño de patas de aterrizaje plegables y propulsores mejorados que controlan el escenario durante su descenso inicial.
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Este elemento tecnológico [tecnología de vehículos de lanzamiento reutilizables] toda esta innovación la está haciendo solo SpaceX, nadie nos está pagando por hacerlo. El gobierno está muy interesado en los datos que recopilamos sobre esta serie de pruebas. ... Este es el tipo de cosas que la inversión empresarial y los nuevos participantes / innovadores pueden hacer por una industria: financiar sus propias mejoras, tanto en la calidad de sus programas como en la calidad de su hardware, y en la velocidad y cadencia de sus operaciones. .
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Entonces es un poco complicado. Porque tenemos que averiguar cómo mejorar el costo de los viajes a Marte en un cinco millones por ciento ... se traduce en una mejora de aproximadamente 4 1/2 órdenes de magnitud. Estos son los elementos clave que se necesitan para lograr una mejora de 4 1/2 orden de magnitud. La mayor parte de la mejora provendría de la reutilización total, en algún lugar entre 2 y 2 1/2 órdenes de magnitud, y luego los otros 2 órdenes de magnitud provendrían de la recarga en órbita, la producción de propulsor en Marte y la elección del propulsor correcto.
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Creo que estamos bastante cerca de poder recuperar el carenado. ... alrededor de un equipo de 5 o 6 millones de dólares. Tenemos una buena oportunidad de recuperar un carenado para fin de año y volver a encenderlo a fines de este año o principios del próximo. ... La etapa superior es aproximadamente el 20 por ciento del costo de la misión. Entonces, si obtiene una etapa de refuerzo y un carenado, somos alrededor del 80 por ciento reutilizables. ... Piensa en muchas misiones, incluso podríamos traer de vuelta la segunda etapa. Así que íbamos a intentar hacer eso, pero nuestro enfoque principal [durante los próximos años será la tripulación Dragon].
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La cápsula Dragon tiene una forma que es estable al reingresar desde la órbita, mientras que los estados de los cohetes tradicionalmente no son estables al reingresar, por lo que hay mucho software involucrado, mucha navegación de guía y control involucrado, y mucha protección térmica requerida; así que tenemos que hacer avances en todas esas áreas. También tenemos que reiniciar los motores de forma supersónica.
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La primera etapa del Falcon 9 lleva patas de aterrizaje que se desplegarán después de la separación de etapas y permitirán el suave regreso del cohete a la Tierra. Las cuatro patas están hechas de fibra de carbono de última generación con panal de aluminio. Colocados simétricamente alrededor de la base del cohete, se guardan a lo largo del costado del vehículo durante el despegue y luego se extienden hacia afuera y hacia abajo para el aterrizaje.
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El núcleo central de la primera etapa del Falcon Heavy y los impulsores llevan patas de aterrizaje, que aterrizarán cada núcleo de manera segura en la Tierra después del despegue. Una vez que los propulsores laterales se separan, el motor central de cada uno se encenderá para controlar la trayectoria del propulsor lejos del cohete de forma segura. Las piernas se desplegarán cuando los propulsores regresen a la Tierra, aterrizando cada uno suavemente en el suelo. El núcleo central continuará disparando hasta la separación de la etapa, después de lo cual sus patas se desplegarán y aterrizarán también en la Tierra. Las patas de aterrizaje están hechas de fibra de carbono de última generación con panal de aluminio. Las cuatro patas se guardan a los lados de cada núcleo durante el despegue y luego se extienden hacia afuera y hacia abajo para el aterrizaje.
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enlaces externos
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- Fotografía de baja resolución de la prueba de descenso controlado del refuerzo Falcon 9 el 29 de septiembre de 2013, momentos antes de impactar el océano Atlántico.
- Video del vehículo de desarrollo reutilizable Falcon 9 no. 1 (F9R Dev1) 1er vuelo de prueba , a 250 metros (0,16 millas), flotando y luego aterrizando justo al lado de la plataforma de lanzamiento, 17 de abril de 2014.
- Vídeo de CRS-3 de refuerzo de prueba fase de aterrizaje, abril de 2014: baja calidad, datos dañados y de mayor calidad, después de fotogramas de vídeo recuperados por el esfuerzo de recuperación de código abierto por el equipo de la NSF .
- Video de la cámara a bordo de la prueba de aterrizaje en la etapa de refuerzo ORBCOMM Mission-1: Falcon 9 First Stage Return: ORBCOMM Mission , video publicado por SpaceX de la prueba de descenso controlado, julio de 2014.
- Video de la cámara del avión de persecución de la prueba de aterrizaje en la etapa de refuerzo ORBCOMM Mission-1: Imágenes de reentrada de la primera etapa del Falcon 9 desde el avión , video publicado por SpaceX de la prueba de descenso controlado, publicado el 14 de agosto de 2014.
- Lanzamiento de clavos de cohete SpaceX, pero falla por poco en la prueba de aterrizaje , Reuters, Irene Klotz, 10 de enero de 2015.