Warum ist IspIspI_\text{sp} auf einer oberen Stufe so wichtig?

Wenn Sie die Oberstufe eines Atlas 5/Delta 4, die einen RL-10-Oberstufenmotor verwenden, mit einer Falcon 9-Oberstufe vergleichen, die eine Merlin 1D Vac-Version verwendet, sehen Sie wirklich große Leistungsunterschiede.

Der RL-10 ist ein LOX/LH2-Motor mit großem spezifischen Impuls ( ich sp von 430-450 s je nach Version), aber beschissener Schub von nur 20-25 klbs.

Der Merlin 1D vac ist ein LOX/RP1-Motor mit so lala ich sp (allerdings gut für RP-1) bei 304 s, aber viel besserer Schub bei 180 klbs.

Dennoch gilt die RL-10 als viel bessere Oberstufe als eine Merlin 1D.

Klar, das ist ziemlich groß ich sp Lücke (25 % mehr für RL-10), aber mit so viel mehr Schub (8-9 mal mehr für Merlin), scheint es, als ob es keine so große Sache sein sollte.

ich verstehe das ich sp ist ein Maß für die Effizienz und gibt an, wie viele Sekunden „Nutzung“ Sie pro Kraftstoffeinheit erhalten. Somit ist ein RL-10 25 % effizienter als ein Merlin 1D. Aber solange Sie genügend Kraftstoff / Oxidationsmittel mit sich führen und den Schub haben, warum sollten die 8-9-mal unterschiedlichen Schubwerte eine größere Rolle spielen?

Letztendlich ist dies wahrscheinlich eine Frage des Warum ich sp in diesem Zusammenhang so wichtig?

Dies ist nur ein weiteres Beispiel für die Tyrannei der Raketengleichung. Sie haben bereits eine Menge Treibstoff verbrannt, um das Pfund Treibmittel da oben zu bekommen.
Ja. Die obere Stufe und ihr Treibstoff kosten Sie, weil Sie eine erste Stufe mit genügend Treibstoff benötigen, um sie hoch und schnell genug zu bringen. Sobald Sie keinen nennenswerten atmosphärischen Luftwiderstand mehr haben und schnell genug sind, um einen sofortigen Wiedereintritt zu vermeiden, kostet die Zeit, die zum Eintritt in die gewünschte Umlaufbahn benötigt wird, nicht mehr viel. Die Masse der Oberstufe kostet Sie jedoch immer noch Nutzlastkapazität; Eine effizientere Rakete bedeutet mehr Nutzlast für die gleiche kombinierte Masse aus Oberstufe und Nutzlast (dh das Zeug, das die erste Stufe antreiben muss).

Antworten (2)

Die Masse, die erforderlich ist, um das Erforderliche zu liefern Δ v hängt vom I sp und dem Trockenmasseverhältnis der Stufe ab. Es kommt nicht auf den Schub an, außer in dem Maße, in dem ein hoher Schub die erforderliche Masse aufgrund eines großen Motors und Vorschubs erhöhen würde. Bei einem gegebenen I sp bestimmt der Schub lediglich, wie lange es dauert, das gesamte Treibmittel zu verbrauchen. Bei einer Oberstufe hat man es nicht so eilig wie bei einer Unterstufe. Sie befinden sich bereits auf einer Flugbahn, die Ihnen etwas Zeit im Vakuum gibt, um Ihre Einfügung in die Umlaufbahn abzuschließen. Einmal im Orbit angekommen, hat man alle Zeit der Welt, um beim nächsten Brennen der Oberstufe, falls vorhanden, in einen anderen Orbit zu gehen oder zu entkommen.

Sie brauchen nur genug Schub, um die Verbrennung zu erledigen, bevor Sie anfangen, zurückzufallen, wenn es eine Orbit-Insertion vervollständigt. Für den nächsten Abbrand benötigen Sie genügend Schub, damit der Abbrand abgeschlossen werden kann, bevor viel Höhe gewonnen wird, um den Oberth-Effekt zu maximieren (mehr Δ Energie pro Einheit Δ v ). Mehr Schub als das hilft einer oberen Stufe nicht. Es tut nur weh mit mehr Masse, die nicht benötigt wird.

Hohes Vertrauen hat einen kleinen Vorteil; Sie erhalten eine effizientere Verbrennung, wenn Sie ihr in einem einzigen Augenblick zustimmen können. (Aber dieser Effekt ist natürlich sehr gering im Vergleich zu einem 25% ich s p )
"Für die nächste Verbrennung benötigen Sie genügend Schub, damit die Verbrennung abgeschlossen werden kann, bevor viel Höhe gewonnen wird, um den Oberth-Effekt zu maximieren" - und selbst das ist nur Bequemlichkeit, da die Übertragungsverbrennung in mehrere kleinere Verbrennungen aufgeteilt werden kann In der Nähe von Apoapsis oder mit extremen ISp-Motoren vernachlässigen Sie einfach die Verluste und drehen sich weg.
Du meinst Periapsis, aber ja.
@MarkAdler: Ja, Periapsis. Ich schlecht.

Der erste Teil des Aufstiegsprofils verläuft nahezu senkrecht, um so schnell wie möglich aus der dicken Atmosphäre herauszukommen.

Bei vertikaler Beschleunigung erleidet das Schiff einen Schwerkraftverlust:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Alle 102 Sekunden, die Sie im vertikalen Aufstieg verbringen, erhalten Sie einen Gravitationsverlust von 1 km/s.

Es ist wünschenswert, die Zeit des vertikalen Aufstiegs zu verkürzen, um den Schwerkraftverlust zu minimieren. Wie schnell ein Schiff über die Atmosphäre gelangt, hängt mit dem Verhältnis von Schub zu Gewicht zusammen, auch bekannt als T/W.

Wenn der Schub der Rakete genau der Schwerkraft entspricht, 9,8 Meter/s^2, T/W=1 und die Rakete schwebt einfach. Ein großes T/W hilft dem Schiff schneller aufzusteigen.

Im Allgemeinen bedeutet ein besserer ISP weniger Schub. Ionentriebwerke haben einen fantastischen ISP, aber einen winzigen Schub.

Es geht also nicht wirklich darum, dass die Oberstufe mehr ISP braucht. Wir wollen einen guten ISP für alle Stufen. Aber die Booster-Stufe braucht mehr Schub.

"Alle 102 Sekunden, die Sie im vertikalen Aufstieg verbringen, ergibt einen Gravitationsverlust von 1 km/s." - das ist eine eindrucksvolle Zahl, die zeigt, wie kostspielig der Schwerkraftwiderstand wirklich ist!
Warum ist IspIspI_\text{sp} auf einer oberen Stufe so wichtig?
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