Rakiety: lot powrotny
Wyrzucanie członu orbitalnego po dziesięciu minutach lotu było najdroższym kompromisem inżynierii XX wieku. Nowoczesne lotnictwo kosmiczne traktuje stopnie rakiet jako wielokrotnego użytku zasoby lotnicze, poddawane ekstremalnym obciążeniom aerodynamicznym i precyzyjnym algorytmom zniżania.
Technicy kontrolują kanały chłodzące komory spalania. Zdjęcie ilustruje rzeczywiste etapy kontroli metalurgicznej wymagane między cyklami na stanowisku testowym.
Mechanika aerodynamiczna odzysku
Powrót pustego członu z prędkości oddzielenia hipersonicznego (zazwyczaj Mach 6 do Mach 9) wymaga ciągłego zarządzania ciśnieniem dynamicznym ($q$). Po oddzieleniu pusty człon zachowuje jedynie 4% do 7% masy startowej, stając się lekkim, kruchym cylindrem wypełnionym gazem resztkowym o niskim ciśnieniu.
Aby ustabilizować tę konstrukcję podczas opadania ogonem w dół przez górną stratosferę, inżynierowie polegają na czterech kratkowych statecznikach z tytanu lub spawanej stali. W przeciwieństwie do konwencjonalnych klap sterowych kratkowe statecznki działają skutecznie zarówno przy prędkościach naddźwiękowych, jak i poddźwiękowych, zapewniając sterowność w przechyle, pochyleniu i odchyleniu bez przeciągnięcia przy gwałtownym oderwaniu przepływu.
Kompromisy w doborze paliwa w członach wielolotowych
| Układ paliwowy | Gęstość i masa zbiorników | Profil sadzy i koksowania | Wpływ na czas przygotowania |
|---|---|---|---|
| RP-1 / ciekły tlen | Wysoka gęstość; kompaktowe zbiorniki z stopu aluminium i litu | Średnia do wysokiej ilość sadzy; wymaga czyszczenia turbin | Sprawdzone cykle regeneracji trwające 15–25 dni |
| Ciekły metan (CH4) / LOX | Umiarkowana gęstość; większe izolowane zbiorniki ze stali nierdzewnej | Praktycznie zero sadzy; czysty cykl spalania | Umożliwia szybkie wielokrotne użycie bez mycia |
| Ciekły wodór (LH2) / LOX | Bardzo niska gęstość; ogromne zbiorniki z izolacją próżniową | Zero sadzy; czyste spaliny wodne | Duże straty wrzenia kriogenicznego; niepraktyczne przy szybkim przygotowaniu na ziemi |
Od nóg lądowniczych do mechanicznych wież chwytnych
Nogi lądownicze dodają masę pasożytniczą. Każdy kilogram przeznaczony na wsporniki z włókna węglowego, rozkładane amortyzatory hydrauliczne i owiewki aerodynamiczne to kilogram odebrany bezpośrednio ładowności na orbitę. Rozwój wież chwytnych, czyli masywnych robotycznych ramion przypominających pałeczki zintegrowanych z wyrzutnią, przenosi urządzenia hamujące z pojazdu na infrastrukturę naziemną.
W tej architekturze schodzący pojazd steruje przechylnymi silnikami centralnymi, by wyhamować do zerowej prędkości pionowej dokładnie między szynami chwytu. Sworznie chwytne zamontowane pod przednimi kratkowymi statecznikami pochłaniają pozostałą energię kinetyczną. Jeśli działa niezawodnie, eliminuje konserwację nóg lądowniczych i umożliwia natychmiastowe przeniesienie dźwigiem na wyrzutnię w celu załadunku paliwa.
Zrealizowane etapy a hipotezy inżynierskie
Zademonstrowane: ponowny zapłon silnika na poziomie morza przy Mach 2
Ponowne zapalanie silników na paliwo ciekłe w naddźwiękowym przepływie powietrza podczas manewrów wejścia wykonano w setkach misji orbitalnych z niemal bezbłędną powtarzalnością.
Zademonstrowane: aerodynamiczne hamowanie w górnych warstwach atmosfery
Wykorzystanie tytanowych sterów kratowych do kierowania bezsilnikowymi członami nośnymi przez barierę dźwięku z dokładnością do metrów od współrzędnych punktów docelowych statku-drona.
Niepotwierdzone: 100% szybkiego wielokrotnego użycia górnego stopnia
Powrót orbitalnych drugich stopni z międzyplanetarnymi prędkościami wejścia w atmosferę bez degradacji płytek termoochronnych konstrukcji pozostaje w skali przemysłowej niepotwierdzony.