La dimostrata capacità di atterraggio del booster di SpaceX non è il risultato di una svolta, ma piuttosto di una serie di piccoli miglioramenti incrementali. Il limite principale è stato il finanziamento e la volontà di realizzarlo.

Nel 1966, un veicolo spaziale senza pilota è atterrato sulla Luna sotto la potenza di un missile nel programma Surveyor. Utilizzava (IIRC) tre propulsori a posizione fissa, pulsati, per controllare l'assetto e la velocità di discesa. Questa era una navicella spaziale relativamente piccola (alta circa 3 metri e con una massa di 300 kg), il che rende le cose più facili; le sue gambe di atterraggio erano larghe in modo che potesse rimanere stabile se atterrava con l'assetto sbagliato. Sotto la minore gravità della luna, i tempi di risposta sono un po 'meno critici, quindi può essere considerata una "modalità facile" per atterraggi autonomi di razzi. Tuttavia, dimostra che un altimetro radar di base, una piattaforma inerziale per determinare l'assetto del veicolo spaziale e un semplice circuito di controllo sono sufficienti per atterrare.

Nel programma Apollo, la fase di discesa del LM era solo un po 'più sofisticata; un motore a farfalla su un supporto cardanico è stato utilizzato per controllare la direzione e la velocità di discesa e propulsori più piccoli utilizzati per controllare l'assetto. Il pilota umano poteva, in linea di principio, designare un punto di atterraggio e poi lasciare che il computer facesse il resto del volo fino all'atterraggio, ma in pratica ogni comandante dell'Apollo prendeva il controllo in modalità semi-manuale a circa 150 m di altitudine, controllando il atteggiamento della nave e velocità di discesa. Il limite principale a questo punto era che il sistema autonomo non aveva modo di sapere se stava scendendo su un terreno pianeggiante o su un mucchio di massi; l'altimetro radar era una singola sonda a bassa risoluzione.

L'atterraggio di un razzo sulla Terra, con una gravità sei volte superiore, richiede una risposta di controllo più rapida: non necessariamente un computer molto più veloce (puoi gestire solo poche migliaia di operazioni al secondo; le equazioni non sono così complesse), ma cose come valvole a farfalla veloci e precise. Non so molto della storia lì, ma immagino che questo genere di cose fosse disponibile anche negli anni '60. D'altra parte, quando si atterra sulla Terra, è molto più facile organizzare una vasta area pianeggiante su cui atterrare!

Come menzionato da @Dragongeek, l'URSS ha pilotato lo space shuttle Buran nel 1988; il suo unico volo era un lancio senza equipaggio per orbitare e tornare sulla Terra. È atterrato in volo orizzontale alato, quindi non è direttamente paragonabile al Falcon 9, sebbene i problemi di guida e controllo siano simili per complessità.

Nel 1993, il progetto DC-X ha dimostrato l'atterraggio verticale autonomo, a razzo, di un veicolo alto 12 metri da un'altitudine di 3 km. Il DC-X ha avuto alcuni problemi, certo, e alla fine è stato cancellato per mancanza di fondi, ma non ci sono state scoperte da fare. Come il Falcon 9, DC-X utilizzava motori multipli, con sospensione cardanica, a regolazione profonda come controllo di volo principale, aumentati con superfici aerodinamiche e propulsori di controllo dell'assetto e utilizzava il GPS nel suo sistema di guida e controllo.

Il GPS è stato di grande aiuto per atterraggi di precisione, ovviamente; il primo stadio Falcon conosce la propria posizione tramite GPS e si guida verso un punto specifico nello spazio assoluto: il centro di una piattaforma di atterraggio o ASDS. Senza il GPS, che è stato utilizzato per la prima volta alla fine degli anni '80, sarebbe stato possibile posizionare un radiofaro al punto di atterraggio e puntare su quello.

Probabilmente, la chiave del successo di SpaceX è stata che un lanciatore riutilizzabile fallito può ancora essere un lanciatore sacrificabile di successo. Realizzando un lanciatore orbitale commerciale pratico da pilotare in modalità sacrificabile e sperimentando atterraggi sulla moneta da dieci centesimi del cliente, hanno sostanzialmente compensato i costi di atterraggio di R&D.

I moderni algoritmi di visione artificiale renderebbero possibile trovare e indirizzare un sito di atterraggio piatto su un altro pianeta o luna, cosa che SpaceX potrebbe dover fare per i loro primi atterraggi sulla Luna o su Marte. Questa tecnologia è uno sviluppo più recente. Richiede una potenza di calcolo abbastanza moderna per ricavare una mappa del terreno dalle viste della telecamera in tempo reale, ma ciò non è necessario per ciò che SpaceX sta facendo oggi.

Un miglioramento tecnologico che SpaceX ha rispetto alla NASA dell'era Apollo è la potenza del computer per eseguire simulazioni complete durante la progettazione.

Ulteriori informazioni sullo sviluppo del motore Saturn V F-1: hanno dovuto fare i conti con le oscillazioni nei sistemi di alimentazione e combustione. Allora hanno effettivamente acceso il motore su un cavalletto, rischiando ogni volta di farlo saltare in aria, per testare idee che hanno calcolato con regoli. Oggi raccoglievano i dati da uno o pochi test e quindi eseguivano simulazioni al computer (forse su desktop, ma la NASA e SpaceX hanno accesso ad alcuni computer "mainframe" pesanti quando necessario). Alla fine hai ancora bisogno di un test dal vivo, ma non così tanti, e con persone intelligenti che costruiscono le simulazioni, la maggior parte dei test avrà "successo". E ovviamente oggi pochi ingegneri possono fare tutti i calcoli su un PC invece di aver bisogno di team di ingegneri con regole di scorrimento. SpaceX ha molti meno ingegneri della NASA impiegati durante l'Apollo.

La NASA è stata anche ostacolata dalla politica e dalla concorrenza con i requisiti dell'Air Force, il che ha influenzato alcune decisioni di progettazione nel programma Shuttle. SpaceX può fare praticamente quello che vogliono fino a quando Elon non esaurisce i soldi.

Infine, ci troviamo sulle spalle dei giganti che ci hanno preceduto. SpaceX non ha dovuto inventare la pompa turbo, ma solo perfezionarla. La matematica dietro gli ugelli dei razzi è ora ben compresa, ma le specifiche del design possono sempre essere migliorate. Ecc ...

La risposta di @RusselBorogove manca del progresso tecnico chiave che rende possibili i booster di atterraggio, motivo per cui aggiungo questa risposta.

Tutti gli esempi di "atterraggio" forniti, equivalgono a risolvere il problema del pendolo invertito + problema di guida assumendo l'assenza di vincoli sull'input di controllo. Il problema è che se vuoi effettivamente far atterrare un booster di classe orbitale, i tuoi vincoli sono difficili e devi pensare all'ottimalità.

LM, Surveyor e DC-X hanno tutti dimostrato Soft Planetary Landings; non hanno dimostrato atterraggi planetari morbidi ottimali . Sebbene questi problemi abbiano alcune piccole somiglianze passeggere, non sono assolutamente confrontabili. Risolvere il problema dell'atterraggio planetario morbido significa che devi dimensionare le tue riserve di carburante per le condizioni peggiori. Risolvere il problema planetario morbido ottimale significa che puoi dimensionare le tue riserve di carburante per il caso migliore. Il primo ti abbatte supponendo che tu abbia un serbatoio pieno, il secondo ti abbatte assumendo che tu abbia un serbatoio praticamente vuoto. Risolvere il primo è banale; il secondo è tutt'altro.

La svolta fondamentale fatta da SpaceX è la creazione di un algoritmo che risolva il problema dell'atterraggio morbido ottimale che ha garantito la convergenza (genererà sempre una soluzione entro un certo periodo di tempo del processore). L'ottimizzazione utilizza un metodo IPM (Interior Point Method), il che significa che i processori più veloci aiutano sicuramente. Non penso che l'IPM esistesse negli anni '60 e immagino che la maggior parte degli ottimizzatori sarebbe sicuramente un modo per computazionalmente costoso sui microchip da qualsiasi cosa prima degli anni 2000 (soprattutto perché trovare ottimizzatori migliori che utilizzano meno risorse di calcolo è ancora un'area di ricerca molto attiva) . Non puoi far atterrare un booster del 1 ° stadio usando solo un algoritmo di problema dell'atterraggio morbido perché finirai il carburante prima di raggiungere la tua destinazione (anche con i booster di atterraggio morbido ottimali hanno ancora esaurito il carburante prima dell'atterraggio). Non puoi semplicemente riempire i booster con più carburante perché allora la tua frazione di carico utile inizierà a scendere a zero.

Dettagli nitidi e grintosi dell'algoritmo di SpaceX per risolvere il problema planetario ottimale. I motori a razzo hanno un limite a quanto possono essere ridotti (molti motori possono scendere solo al 40% ish). Questo è noto come vincolo non convesso che rende l'intero problema ottimale non convesso. Come tutte le persone di ottimizzazione sanno, non puoi dimostrare un minimo globale su un problema non convesso. SpaceX (anche se in realtà Lars Blakmore che è il capo degli sbarchi a SpaceX) ha inventato qualcosa chiamato Convessificazione senza perdita. Questo algoritmo prende un problema non convesso di bassa dimensione e lo pone in una dimensione superiore, il che rende il problema convesso nella dimensione superiore dove viene utilizzato un metodo del punto interno per trovare l'ottimo globale. La soluzione ottimale globale nella dimensione alta viene quindi ridotta e applicata al problema oringale non convesso. Leggi questo documento se desideri comprendere meglio la convessificazione senza perdite del problema dell'atterraggio ottimale.

Come nota a margine, SpaceX ha trascorso anni a sviluppare questi algoritmi con il veicolo di prova con tramoggia di erba. Un gruppo di persone di talento ha impiegato diversi anni per capire come risolvere il problema dell'atterraggio del booster.

Aggiungerei anche che durante i test non c'era abbastanza autorità di assetto usando solo spinte di gas azoto. Non è stato fino a quando SpaceX ha aggiunto Gridfins che gli atterraggi hanno iniziato a funzionare. Le griglie sono ottime perché possono fornire il controllo dell'assetto senza utilizzare la massa come le spinte di gas.

TL: DR SpaceX ha risolto il problema dell'atterraggio planetario morbido ottimale che è molto più difficile da risolvere del semplice problema dell'atterraggio planetario morbido che era il vero progresso tecnico + Gridfins.

In aggiunta alla risposta di Russell Borogove, vorrei anche sostenere due punti aggiuntivi:

• Sul sito tecnico, i motori sono stati progettati con atterraggi a motore in mente. Possono essere dotati dell'hardware necessario per riavviare facilmente durante il volo. Inoltre, il Falcon 9 è stato il primo razzo a utilizzare 9 piccoli motori, consentendo un atterraggio a motore su uno o tre motori funzionanti ad alta efficienza (a seconda della configurazione).

• Anche l'economia gioca un ruolo importante. SpaceX fornisce lanci abbastanza economici che i clienti sono disposti a volare su un razzo che non utilizza tutto il suo carburante per la loro missione. A loro volta possono farlo perché hanno ridotto notevolmente i costi interni. D'altra parte, il programma Apollo era molto costoso così com'è, così come altri grandi progetti come SLS. Riuscite a immaginare cosa accadrebbe se qualcuno suggerisse che SLS fosse il 30% più grande di quanto necessario per la consegna del carico utile a spese del contribuente per una funzionalità che potrebbe o meno ripagare?

  Lo stesso vale per le società private come ULA. Il volo spaziale non è una divisione così grande rispetto all'intera Boeing e fintanto che possono vendere lo stesso semplice design più e più volte, non hanno bisogno di investire i propri soldi per lo sviluppo.

  Questo è anche illustrato dall'errore del solido razzo booster. Gli SRB sono incredibilmente economici da sviluppare e utilizzare poche volte, ma molto costosi a lungo termine: i booster sullo shuttle costano qualcosa come $ 50 milioni a lancio. Un Atlas V ha fino a 5 booster a \ $ 10 milioni ciascuno, che costano quasi quanto un Falcon 9 interamente riutilizzabile. Tuttavia, questi design sono stati scelti perché il costo iniziale era minimo e il cliente è disposto a pagarli ad ogni lancio.

Quali scoperte tecnologiche erano necessarie per far atterrare i razzi?

Paracadute.

Ed esistevano dal 19 ° secolo.

Le altre risposte si riferiscono all ' atterraggio verticale elettrico degli stadi ausiliari, ma l' atterraggio dei razzi con il paracadute è stato effettuato dall'inizio della corsa allo spazio. Sento che i paracadute meritano una menzione qui, quindi lasciatemi citare https://www.nasa.gov/missions/research/f_sounding.html:

Dal 1959 , La ricerca spaziale e scientifica della Terra sponsorizzata dalla NASA ha utilizzato razzi sonori per testare strumenti [...]

Nella maggior parte dei casi, dopo che il carico utile è rientrato nell'atmosfera, viene portato delicatamente sulla Terra da modo di un paracadute e viene quindi recuperato. Recuperando parti del carico utile, può essere rinnovato e fatto volare di nuovo, ottenendo enormi risparmi.

Anche il ripristino delle fasi di richiamo è stato eseguito, fino a un certo grado di successo. Vorrei citare da https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/5.pdf:

Il primo sottosistema deceleratore, che includeva un gruppo a grappolo dei tre paracadute principali, un gruppo paracadute drogue e pilota, celle di carico e accessori, arrivò nel novembre 1978, per l'installazione nel primo SRB assemblato.

[...]

Dopo il successo del lancio di STS-1, durante la valutazione post-volo sono stati identificati tre problemi significativi relativi alla riutilizzabilità dell'hardware SRB: integrità strutturale dell'anello della gonna di poppa, temperature di rientro della gonna di poppa e intrusione di acqua salata del cavo elettrico.

[...”

Il primo volo programmato per pilotare hardware rinnovato (diverso dai paracadute) è stato l'STS-7 che utilizzava l'hardware STS-3; i paracadute erano programmati per il reflight su STS-4.

Quindi il programma navetta della NASA stava già atterrando, recuperando e rinnovando gli stadi di richiamo nel 1983 (forse anche prima, non ho controllato tutta la documentazione). La tecnologia era già disponibile.

Vale la pena notare che anche i livelli recuperati di SpaceX vengono sottoposti a lavori di ristrutturazione dopo un atterraggio. Ma dovrebbe essere ovvio che un atterraggio con il paracadute significa più danni (e costi di ristrutturazione più elevati e parti sopravvissute meno riutilizzabili) rispetto a un atterraggio controllato, verticale e motorizzato.

Vorrei anche menzionare la Ansari X-PRIZE sfida all'atterraggio sulla luna e la Sfida lunare Lander. Gli sviluppi sono stati determinanti per consentire un controllo preciso delle salite / discese motorizzate.

In un'altra risposta, Russel Borogove fa un punto valido che zero innovazioni tecnologiche necessarie per l'atterraggio, ma invece è solo un miglioramento incrementale.

Gran parte della tecnologia spaziale è rimasta la stessa dalla metà degli anni '60 ad oggi, ma un punto molto piccolo è stato incluso in un modo di ingegneria inversa per far atterrare il razzo sulla superficie o sull'oceano.

** a 0: 02/0: 08: "Lateral thrust" è implementato, il che lo trasforma a destra.

a 0: 03/0: 08: viene fermato dall'andare più a destra.

a 0:04 / 0: 08: La spinta completa è stata introdotta per dargli la giusta velocità per la direzione giusta. **

Ora questa tecnica è stata resa pubblica alla fine del 2010 e queste pratiche sono state messe in atto dalla Russia da allora fine 2002 o 2003.

Elon musk e SpaceX hanno riutilizzato le "spinte laterali" dei russi in i loro razzi di atterraggio e dopo diversi test, il razzo è atterrato indietro con l'aggiunta di un piccolo passo in modo da ingegneria inversa.

Inoltre Russell Borogove ha elaborato la visione artificiale. Ma in realtà non c'è nessuna svolta e il 100% di copia / incolla dalle discipline alleate di razzi e missili.

La teoria del controllo non ha applicazioni profonde nello spacex di Elon musk, ma quello che fanno è copiare / incollare da altri paesi alleati o discipline fondamentali e fare esperimenti per mantenere il successo agli occhi del pubblico e qualunque cosa mostrino al pubblico, ha è stato ben sperimentato da altre nazioni molto tempo prima.

Ho letto che i primi stadi dei booster Soyez sono così robusti che a volte possono essere riutilizzati dopo un atterraggio di fortuna a terra. Se questo è corretto, un modo molto semplice per creare razzi booster riutilizzabili era ed è semplicemente quello di costruirli in eccesso e renderli molto più forti del necessario, rendendoli meno efficienti e incapaci di lanciare come carichi utili pesanti, ma in grado di essere riutilizzati con poco sforzo.

Un altro metodo utilizzato per molto tempo sono i paracadute. La combinazione di paracadute con robustezza potrebbe aver portato a fasi di richiamo riutilizzabili in un primo periodo.

I veicoli di lancio Pegasus vengono lanciati dagli aeroplani, con il primo lancio nel 1990, e trasportano piccoli satelliti nell'orbita terrestre bassa.

https://en.wikipedia.org/wiki/Pegasus_(rocket) 1

https: //www.nbcnews.com/mach/innovation/billionaire-rolls-out-ginormous-rocket-launching-airplane-n766996 2

Aerei, ovviamente , di solito sono destinati ad essere utilizzati per molti voli, quindi questi aeroplani contano come primi stadi riutilizzabili.

Un razzo è un piccolo razzo lanciato da un pallone meteorologico. Ovviamente i palloncini non vengono recuperati e riutilizzati ma i palloncini meteorologici sono economici. I razzi sono stati lanciati già nel 1955.

Più recentemente, la compagnia JP Aerospace ha sviluppato e utilizzato i razzi come parte dei suoi piani di accesso allo spazio. [6] Inoltre, la Iowa State University e la Purdue University (Purdue Orbital) hanno avviato programmi per lo sviluppo di razzi [7] [8] e un lavoro significativo è stato recentemente svolto da Leo Aerospace con sede a Los Angeles e da una compagnia spaziale rumena, ARCASPACE. La compagnia spagnola zero2infinity prevede di lanciare un razzo a forma di toroide da un pallone chiamato Bloostar nel 2018 per trasportare micro satelliti nell'orbita terrestre bassa. La società di base britannica B2Space sta sviluppando il concetto per lanciare piccoli satelliti nell'orbita terrestre bassa [9]. Stofiel Aerospace punta anche a lanciare Cubesats con il loro sistema Hermes Rockoon.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rockoon 3

Nota che un dirigibile può essere manovrato, sebbene nessun dirigibile abbia ha raggiunto le altezze che hanno i palloncini.

Una lunga pista a terra con una slitta a razzo potrebbe accelerare un aereo a razzo e quindi dare a un aereo a razzo un vantaggio nel raggiungere la velocità orbitale. Quindi la pista e la slitta a razzo potrebbero essere considerate un primo stadio riutilizzabile.

Slitte a razzo di dimensioni più piccole sono state utilizzate per testare l'attrezzatura già nel 1954 negli Stati Uniti e si dice che i tedeschi usassero una slitta a razzo per lanciare un razzo il 16 marzo 1945.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_sled 4

Sembra quindi possibile che gli stadi di richiamo riutilizzabili di routine avrebbero potuto essere sviluppati decenni fa se ci fosse stata la volontà sufficiente per farlo.