Warum nicht den Motor für mehrstufige Raketen behalten?

Dabei gibt es einige große Herausforderungen. Für den Anfang erzeugen die Triebwerke der ersten Stufe viel zu viel Schub für die letzte Stufe, was zusätzliche strukturelle Masse erfordern würde, damit die Rakete zusammenhalten kann, und bemannte Raketen überhaupt nicht zulassen würde, da Menschen eine ziemlich enge G-Kraft haben Grenzen. Wenn Sie den Schub reduzieren, um diese Probleme zu bewältigen, tragen Sie viel Eigengewicht auf dem ganzen Weg in die Umlaufbahn, anstatt nur einen Teil des Weges. Sie müssen also zumindest den größten Teil der Motormasse der ersten Stufe inszenieren.

Es gibt auch Herausforderungen bei der Anordnung von Kraftstofftanks zwischen den Motoren und der Nutzlast: Die Tanks sind strukturell! Wie wird man einen Teil der Struktur in der Mitte los und ermöglicht eine sichere und zuverlässige Wiederverbindung?

Vielleicht setzt man die Tanks oben drauf und lässt die oberen Tanks stufenweise fallen, aber dann hat man mehr Probleme mit bemannten Raketen, da jetzt die Nutzlast zwischen Triebwerken und Tanks eingeschlossen ist und Astronauten keinen Fluchtturm benutzen können. Außerdem muss man leere Tanks irgendwie zur Seite schieben, anstatt sie einfach abzuklemmen.

Vielleicht platzieren Sie die Motoren über den Tanks, aber jetzt müssen Sie Tanks mit höherem Druck (dh massivere) haben, um die Pumpen zu speisen, und die Motoren müssen ein paar Grad oder mehr nach außen geneigt sein, damit der Auspuff die Tanks freigibt , was bedeutet, dass Sie Schub verlieren.

Angenommen, Sie lassen all dies fallen und haben nur parallele Stufen. Dies ist der beste Ansatz, hat aber immer noch einige Probleme: Die Frontfläche ist viel größer als nötig, was den Luftwiderstand erheblich erhöht, außerdem müssen die Befestigungspunkte stärker sein, und die Tanks sind weniger optimal geformt, weil sie zu dünn sind für ihre Höhe. Außerdem wird die meiste Flugzeit der Rakete damit verbracht, mehrere halbleere Tanks zu tragen, anstatt eine kleinere Anzahl vollständig voller Tanks und einen teilweise leeren Tank. Es gibt also eine Reihe von Massenstrafen, die es weniger als erstaunlich machen.

Es gibt eine letzte Verfeinerung, die Sie ausprobieren sollten: Spargel-Inszenierung, auch bekannt als Cross-Feed. Falcon Heavy sollte ursprünglich eine moderate Version davon verwenden, wurde jedoch aufgrund mangelnder Nachfrage und technischer Schwierigkeiten fallen gelassen. Die Spargel-Inszenierung verwendet parallele Stufen, pumpt jedoch Treibstoff von denjenigen, die am ehesten abgeworfen werden, zu den anderen und stellt sicher, dass Tanks (und Triebwerke) abgeworfen werden, sobald die Rakete als Ganzes genug Treibstoff verbraucht, anstatt zu warten, bis jede der Stufen Etappen so viel Sprit verbraucht, dass die Kleinsten leer sind.

Leider (Sie haben es erraten) hat dies auch Probleme. Meistens beziehen sich die Probleme auf die Schwierigkeiten, Cross-Feed zuverlässig und sicher zum Laufen zu bringen: Die Pumpen müssen für jede Stufe unterschiedlich dimensioniert werden (selbst wenn die Motoren gleich sind), es gibt eine Menge Leitungen, die zuverlässig getrennt werden müssen, ohne Schaden zu nehmen das Äußere, und sicherzustellen, dass die Zufuhr das empfindliche Druckgleichgewicht zu den Turbopumpeneinlässen nicht durcheinander bringt, ist nicht trivial. Im Prinzip wären diese wahrscheinlich mit einigen bescheidenen Massenstrafen zu lösen, aber in der Praxis hat sich das noch nicht wirklich gelohnt.

Nathans Antwort ist gut und deckt fast alles ab, aber lassen Sie mich noch etwas hinzufügen:

Eine Triebwerksdüse kann nur für einen gegebenen Höhenumgebungsdruck optimiert werden . Dies hat einen großen Einfluss auf die Raketenleistung.

Sie würden diesen schweren, ineffizienten Motor wahrscheinlich nicht ganz nach oben ziehen wollen, selbst wenn Sie könnten.

Einige Designs versuchen, dieses Problem zu umgehen, wie der Aerospike-Motor, sind aber immer noch Prototypen.

Warum nicht den Motor für mehrstufige Raketen behalten?

Sie wollen keine nutzlosen Motoren den ganzen Weg in den Orbit tragen.

Raketentriebwerke sind ein enormes Gewicht in einer mehrstufigen Rakete.

Die Prämisse ist falsch. Nur die Triebwerke der ersten Stufe sind schwer, die Triebwerke der zweiten und dritten Stufe sind im Vergleich zu den ersteren viel kleiner und von unbedeutendem Gewicht.

Sie möchten eigentlich die Triebwerke der ersten Stufe abwerfen, sobald die Rakete leicht genug geworden ist, damit die zweite Stufe übernehmen kann. Werfen Sie einfach einen Blick auf die Atlas -Rakete und ihr einzigartiges Staging-Schema. Atlas behielt die Kraftstofftanks, ließ aber auf dem Weg nach oben zwei von drei Motoren fallen.