Warum wurden die Haupttriebwerke des Space Shuttles auf dem Orbiter platziert?

Die schnelle Antwort – damit sie die Motoren zurückbekommen konnten – wurde bereits bereitgestellt, aber ich möchte dieser Designentscheidung etwas mehr historischen Kontext bieten.

Beachten Sie, dass das ursprünglich konzipierte Shuttle nicht immer nutzlose Motoren in den Weltraum zog. Tatsächlich wurden viele der ursprünglichen Vorschläge so entwickelt, dass sie vollständig wiederverwendbar sind, was bedeutete, dass es kein verbrauchbares ET gab und die Motoren die ganze Zeit über mit ihren Kraftstofftanks verbunden blieben.

Einige frühe Shuttle-Vorschläge.

Allerdings gibt es hier ein grundsätzliches Problem. Die Effizienz von Hydrolox (das ist, wenn Sie HYDRO-Gen mit Flüssigoxygen verbrennen ) auf der Orbitalstufe war praktisch erforderlich, wenn Sie eine sinnvolle Nutzlast (sprich: Militärsatelliten) auf einem wiederverwendbaren Orbiter haben wollten . Die geringe Dichte von Wasserstoff bedeutete jedoch, dass das erforderliche Tankvolumen sehr groß sein würde. Das ist an sich kein Problem, außer dass Sie beim Wiedereintritt all diese Tanks abschirmen müssen .

Die Massenkosten des Wärmeschutzsystems wurden schnell für ein vollständig wiederverwendbares Shuttle realisiert. Es gab zwei Möglichkeiten, dies zu umgehen: Bauen Sie einen größeren Booster oder versuchen Sie nicht, Ihren Tank wiederzuverwenden. Ziemlich schnell erkannten die Designer, dass diese zweite Route die günstigere war ...

Ausgangspunkt für beide Unternehmen waren teilweise wiederverwendbare Konfigurationen, die ihren Treibstoff in Einwegtanks transportieren würden. Dies bot einen Weg zur Senkung der Entwicklungskosten , da der Orbiter in seiner Größe schrumpfen konnte , indem er sein Treibmittel extern trug . Die Tanks könnten als einfache Aluminiumhüllen Gestalt annehmen, während der Orbiter viel weniger Volumen in seinen heißen Strukturen und viel weniger Oberfläche zum thermischen Schutz hätte. [...] Warum war dieser Ansatz so erfolgsversprechend? Flüssiger Wasserstoff ist voluminös und hat nur ein Vierzehntel der Dichte von Wasser. Obwohl es also nur etwa ein Siebtel der Treibladung eines Shuttles nach Gewicht ausmacht , wobei sechs Siebtel flüssiger Sauerstoff sind, macht flüssiger Wasserstoff fast drei Viertel des Volumens aus. Da dieser Kraftstoff eine geringe Dichte und daher ein geringes Gewicht hat, könnte er in externen Tanks mit ähnlich geringem Gewicht transportiert werden. Da es sperrig ist, würde seine Entfernung eine willkommene Verringerung der Fahrzeuggröße und -oberfläche mit sich bringen.

Die Einsparungen bei den Entwicklungskosten dieser Route wurden von Northrup Grumman aggressiv vorangetrieben ...

Die Verwendung externer Tanks verringerte das Trocken- oder Leergewicht des kompletten zweistufigen Shuttles um fast ein Drittel von 1,02 Millionen Pfund auf 692.000 Pfund. In den Worten des Berichts bedeutet diese Gewichtseinsparung "eine Struktur, die wir aus dem Design eliminieren, keine Werkzeuge dafür bereitstellen, noch bauen, warten, überholen oder anderweitig bezahlen." [...] Das Spitzenfinanzierungsniveau von 1,85 Milliarden US-Dollar war weit entfernt von der OMB-Anforderung von 1 Milliarde US-Dollar . Trotzdem war es diesem Ziel 350 Millionen Dollar näher als das vollständig wiederverwendbare Design. Darüber hinaus schlug Grumman in einem brillanten Beispiel, wie man seinen Kuchen hat und ihn isst, vor, dass die verbrauchbaren Tankgebühren [341] tatsächlich die Kosten pro Flug senken würden . Die Tanks an sich würden kosten740.000 Dollar pro Flug. Andere Einsparungen würden dies jedoch mehr als ausgleichen, wobei die größten davon auf eine erhebliche Reduzierung der Treibstoffmenge für einen Flug und auf die Beseitigung der Notwendigkeit zurückzuführen sind, den Wärmeschutz des jetzt einfacheren Boosters zu überholen.

Irgendwann fangen die Leute an, darüber nachzudenken, den LOX auch in ein externes Tanklager zu verlegen ...

Der nächste Schritt bestand darin , diesen einzelnen externen Tank zu verlängern , damit er auch flüssigen Sauerstoff transportieren kann . Dies würde die Größe des Orbiters auf ein absolutes Minimum reduzieren. Der am Bauch des Orbiters angebrachte Tank würde eine strukturelle Verstärkung erfordern, da sein Vorrat an flüssigem Sauerstoff ziemlich schwer wäre. Wenn der gesamte Treibstoff aus dem Orbiter entfernt wurde, könnte dieses Fahrzeug unabhängig vom Tank ein Standarddesign erreichen. Der Tank könnte zu einer besonders großen Größe anwachsen, was die Bereitstellungsgeschwindigkeit des Boosters weiter verringert. Diese niedrigere Bereitstellungsgeschwindigkeit würde wiederum die Größe des Boosters weiter reduzieren und die Kosten des Shuttle-Programms erneut senken .

Nach all diesen Iterationen war das Shuttle, das wir kennen, ziemlich genau entworfen.

Das neue Shuttle, ohne Booster.

Quelle (und sehr, sehr gut zu lesen): https://history.nasa.gov/SP-4221/contents.htm

Alle Hervorhebungen von mir.

Damit die wiederverwendbaren Motoren wiederverwendet werden könnten.

Wenn sie auf dem verbrauchbaren Außentank montiert wären, wären sie bei jeder Mission weggeworfen worden.