Warum wird SLS Block I weniger Masse zu LEO bringen als das STS-Shuttle-System?

Das Space Transportation System (STS) könnte einen voll beladenen Shuttle-Orbiter von 109 Tonnen in die Umlaufbahn bringen (oder vielleicht leer + Nutzlast 68 + 25 = 93 Tonnen). Das Space Launch System (SLS) Block I basiert auf STS, soll aber nur zwei Drittel bis drei Viertel davon, 70 Tonnen, zu LEO heben können. Ich hätte gedacht, dass der SLS stattdessen leistungsfähiger wäre als der Startstapel des Shuttles.

SLS hat ein zusätzliches fünftes Segment in seinen soliden Boostern und vier statt drei der gleichen Hauptmotoren. Außerdem wird es eine Oberstufe mit 26 Tonnen Treibstoff im Vergleich zum kleineren orbitalen Manövriersystem des Shuttles haben. Der Schub ist beim SLS auf jeder Stufe größer. Wozu also all die zusätzliche Leistung? Wenn das vage Masse-zu-LEO-Maß hier nutzlos ist, was wäre dann ein gutes Vergleichsmaß für ihre Fähigkeiten? Könnte SLS Block I einen voll beladenen Shuttle-Orbiter tragen, wenn er daran befestigt werden könnte?

Solider Booster (gleiche ISP 269 Sek.):

STS 15.000 kN

SLS 16.000 kN (+6 %)

Erste Stufe (gleiches isp 452 Sek. Vakuum):

STS 5.250 kN

SLS 7.440 kN (+40 %)

Oberstufen OMS versus ICPS:

STS 2x27 kN und isp 316 sek

SLS 110 kN und isp 462 sek

Aus Wikipedia für STS und SLS .

Die STS hatte so etwas wie eine Oberstufe, die OMS. Ohne die Verwendung des OMS könnte der STS keine Umlaufbahn erreichen. Es würde dem externen Tank zurück in die Atmosphäre folgen. Das OMS wurde auch für die Deorbit-Verbrennung verwendet.
@Uwe Ah, ja natürlich. Aber auch die scheint mit 2x27 kN und isp 316 Sekunden schwächer als die SLS ICPS Oberstufe zu sein.
Shuttle ist ~100 Tonnen inklusive Nutzlast . Es ist sehr schwierig, mit der STS-Fähigkeit Äpfel-zu-Äpfel-Vergleiche anzustellen, da sie teils Launcher und teils Nutzlast ist. SLS bringt sowohl die Nutzlast als auch die (trockene) zweite Stufe in die Umlaufbahn – weitere 3,5 bis 4 Tonnen dort.
@RussellBorogove Encyclopedia Astronautica war früher vertrauenswürdig, aber dort sind die Brutto- und Leermasse praktisch gleich, also ist es vielleicht ein Tippfehler? (Es ist ein alter Link, "Status: In Production" ...) Trotzdem könnte der leistungsstärkere SLS nur ein leeres Shuttle heben. Wie fügt sich das zusammen?
WP hat es als 68,5 t leer, 25 t Nutzlast, maximales Startgewicht 109 t. de.wikipedia.org/wiki/…
Der Rest wäre hauptsächlich OMS-Treibstoff, von dem das Shuttle bis zu 21 Tonnen tragen könnte (für kleine Nutzlasten und schwer erreichbare Umlaufbahnen).
Die NASA behauptete, sie sei in der Lage, den externen Treibstofftank in den Orbit zu bringen und dort zu belassen - die ganzen Pläne der "Nasswerkstatt", den Tank in einen Lebensraum zu verwandeln usw. - wenn es jemanden gäbe, der daran interessiert wäre. Das impliziert, dass OMS eine Wahl war, nicht eine Notwendigkeit, um die Umlaufbahn zu erreichen.
Für den letzten Teil des Programms flog STS ein "Direct Insertion"-Profil, das es ermöglichte, den OMS-1-Brennvorgang zu überspringen. OMS-2 kreisförmigisierte die Umlaufbahn und war erforderlich, um ein vorzeitiges Deorbiting zu verhindern. Um das ET zu retten, müssten Sie OMS-2 vor der ET-Trennung durchführen.
Block 1 wird 70 t in eine Umlaufbahn von 1800 km x 93 km bringen. Das hohe Apogäum ist wahrscheinlich das, was die Nutzlast verringert. Außerdem hatte das Shuttle nur 27,5 t Nutzlast, bei weitem nicht 100 t. Für die ISS ging dies auf 16 t zurück. 70 t auf 1800 km x 93 km zu bringen, ist ziemlich beeindruckend, imho.
@Polygnome Ein unbemannter Shuttle-Orbiter hätte im Orbit bleiben können. Das wären ungefähr 100 Tonnen für LEO. Hat die LEO-Definition von 1800 km x 93 km für SLS-I einen bestimmten Zweck oder Grund? Ist es geeignet, ein interplanetares Raumschiff aus mehreren Starts zusammenzubauen? 1.800 km sind ein bisschen in den inneren Van-Allen-Gürtel hinein und 93 km klingen aerobremsend niedrig (mit dem Risiko, einen Virgin Galactic-Touristenflug zu treffen).
Aha - das ist EM-1: 70 Tonnen auf 1800x93 ohne Nutzung des ICPS . Das niedrige Perigäum gewährleistet den Wiedereintritt und die Entsorgung der Kernstufe, und das ICPS wird bei 1800 km eine translunare Injektionszündung durchführen. Mein Startsimulator schlägt vor, dass SLS + ICPS ~77,5 Tonnen Nutzlast auf eine 200 km lange Kreisbahn bringen kann, aber ich könnte ziemlich weit daneben liegen.
@LocalFluff Für EM-1 und ähnliche Flugprofile gewährleistet das 93 km lange Perigäum eine sichere Trennung von der Kernstufe, die wieder eintritt und verbrennt. Die obere Stufe führt dann die TMI-Verbrennung oder andere erforderliche Manöver durch.

Antworten (1)

Es ist immer schwierig, Äpfel-zu-Äpfel-Vergleiche zwischen dem Space Shuttle und anderen Trägerraketen anzustellen, weil der Orbiter mehrdeutig teils Trägerrakete und teils Nutzlast ist. Hinzu kommt die Weite des Begriffs „LEO“; Shuttle-Nutzlasten gingen in eine Vielzahl von Höhen und Neigungen.

Da der Titel der Frage jedoch eher „Masse für LEO“ als nützliche Nutzlast angibt, können wir dort beginnen. Beim MECO des Space Shuttles befindet es sich in einer exzentrischen Umlaufbahn von vielleicht 300 km x 70 km; dies ist vergleichbar mit einer kreisförmigen Umlaufbahn von 185 km. Die Gesamtmasse auf dieser Flugbahn beträgt höchstens:

  • 109 Tonnen Orbiter einschließlich Nutzlast und Treibstoff
  • 26,5 Tonnen externer Tank (leer SLWT )

oder 135,5 Tonnen.

Die SLS EM-1- Mission beabsichtigt, ein ICPS- und Orion-Raumschiff in eine höhere Umlaufbahn als diese zu bringen, 1800 km x 93 km; dies ist die Trajektorie beim Abschalten des Haupttriebwerks im Kernstadium (MECO), ohne dass das ICPS noch gezündet hat. Das niedrige Perigäum garantiert, dass die Kernstufe wieder in die Erdatmosphäre eintritt und verglüht. An diesem Punkt haben wir eine Gesamtmasse im Orbit von:

  • 85 Tonnen leere Kernbühne
  • 31 Tonnen beladene ICPS-Bühne
  • 5 Tonnen Zwischenbühne
  • 26 Tonnen Orion -Raumschiff

Für insgesamt 147 Tonnen in dieser höheren Umlaufbahn.

Meine Referenz besagt, dass die Shuttle-Nutzlast um 25 kg pro km Höhe reduziert wurde, was darauf hindeutet, dass das Shuttle etwa 19 Tonnen Nutzlast aufgeben müsste, um der SLS EM-1-Flugbahn zu entsprechen, was den Vergleich von 147 Tonnen auf 116,5 Tonnen ergibt.

Es scheint also, dass die größeren SRBs und die vierte SSME dem Block 1 SLS eine größere Leistung verleihen: etwa 25 % mehr Masse für LEO, was intuitiv vernünftig erscheint.

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