Warum wurden Saturn V und die sowjetischen N-1-Mondraketen nicht größer gemacht, um Mondmissionen zu vereinfachen?

Während der Apollo-Missionen wurde der Mondlander getrennt, umgedreht und während des Fluges angedockt. Und das Kommandomodul wurde während der Oberflächenmission im Mondorbit gelassen. Die Sowjets planten, den einzelnen Kosmonauten auf der Oberfläche landen zu lassen, um einen Weltraumspaziergang zwischen dem Sojus-ähnlichen Orbitalmodul und dem Lander zu machen.

Ist es richtig zu sagen, dass diese beiden Missionsdesigns Kompromisse waren, weil die Trägerraketen etwas zu klein für einen direkten Start von der Erde zur Mondoberfläche waren? Oder war es vielleicht doch eine bewusste Entscheidung, vielleicht um im kompetitiven Weltraumrennen Zeit zu gewinnen?

Warum wurden die Trägerraketen nicht größer konstruiert, um die Mondmissionen zu vereinfachen? Wie viel größer hätten sie sein müssen, 10 %? 20%? Waren sie vielleicht so groß, wie es in den 1960er Jahren möglich war, Trägerraketen zu bauen, oder haben sie während des Entwicklungsprozesses die ursprünglichen Spezifikationen nicht erreicht? Ist SLS Block II dafür ausgelegt, einen direkten Start von Astronauten zum Mond ohne Docking und EVAs durchzuführen?

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Bild von SpaceIsThePlace . Ein Modell der beiden Kosmonauten, die eine Kiste mit Mondgestein von der Mondlandefähre nach Sojus transportieren.

Größer... zur Vereinfachung? Ich glaube da hast du einen kleinen Denksprung :)
Vielleicht ist die bessere Frage (über die ich mich seit dem Ereignis irgendwie gewundert habe) warum sie es nicht vereinfacht haben, indem sie 3 Starts in die Erdumlaufbahn durchgeführt haben.
@Luaan Dinge größer zu machen ist einfach. Du sprengst es einfach. Aufblasen wie beim Aufblasen eines Ballons, nicht wie beim Aufblasen einer Rakete ... (das ist übrigens noch einfacher).
@LocalFluff: Nein, es ist nicht einfach, Dinge größer zu machen, weil man auf Dinge wie das Quadratwürfelgesetz und die Raketengleichung stößt. Das heißt, wenn Sie Dinge größer machen, müssen Sie sie stärker machen, was bedeutet, dass Sie sie schwerer machen müssen, was bedeutet, dass Sie mehr Kraftstoff benötigen, um die schwerere Struktur anzuheben, was bedeutet, dass Sie noch mehr Kraftstoff benötigen, um den Kraftstoff anzuheben. ..
Auf dem Mond zu landen ist einfach. Die Erde zu verlassen, ohne zu explodieren, ist schwer.
@Mazura Noch einfacher, wenn Sie die Landung nicht überleben wollen;)
Das grundlegende Problem bei einem direkten Landeanflug ist, dass Sie mit genug von allem auf dem Mond landen müssen, um die Astronauten zurück zur Erde bringen zu können. Das bedeutet, dass der Mondlander viel größer sein musste als einer, der gerade wieder in die Mondumlaufbahn zurückkehren musste. Viel, viel größer, da es den Treibstoff und die Lebenserhaltung für die Rückreise zum Mond und wieder zurück transportieren müsste, was viel zusätzlichen Treibstoff erfordern würde.
@Luaan Ich habe an großen und kleinen Automotoren des 20. Jahrhunderts gearbeitet (eine ziemliche Reichweite von Raketen, die ich kenne), und die großen, die Zugang zu einem riesigen Treibstofftank hatten, viel Leistung hatten und keine Entschuldigung boten, waren im Allgemeinen einfacher als die kleinen diejenigen, die versuchten, alles, was sie konnten, aus einem kleineren Treibstofftank herauszuquetschen. Größere Tanks, Motoren und Rahmen waren in der Tat einfacher. Sie waren nicht billiger oder wirtschaftlich einfacher zu rechtfertigen, aber sie waren nicht komplexer.

Antworten (7)

Um die direkte Aufstiegsmethode zur Landung auf dem Mond zu verwenden, bei der das gesamte Fahrzeug absteigt und den Mond verlässt, bräuchten Sie eine Rakete, die um eine Größenordnung größer als die Saturn V ist, nicht nur ein bisschen größer.

Hier ist ein früher Vergleich, den die NASA gemacht hat, bevor sie sich entschieden haben, Lunar Orbit Rendezvous zu verwenden :

Vergleich der Nova-Rakete

Der C1 wurde zum Saturn I, der C-5 wurde zum Saturn V, der Nova kam nie vom Reißbrett, weil er sehr teuer und schwer zu bauen sein würde, wenn man bedenkt, dass man ihn mit LOR für viel weniger machen könnte.

Hier ist ein guter Artikel über die Geschichte der Nova-Rakete . Hier ein Auszug:

Nova war die ultimative Trägerrakete der NASA, die von 1959 bis 1962 intensiv untersucht wurde. Ursprünglich konzipiert, um eine direkte bemannte Landung auf dem Mond zu ermöglichen, sollte sie in ihrer letzten Iteration eine Million Pfund schwere Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn bringen, um bemannte Marsexpeditionen zu unterstützen. Es wurde danach in der erweiterten Missionsplanung der NASA zugunsten von Wachstumsversionen des Saturn V aufgegeben.

Im Laufe der Zeit wuchs die Rakete und wuchs und wuchs, bis sie ein wahres Monster war! Sehen Sie sich einige der Konzepte im Bild unten an, sie machen den Saturn V im Vergleich mickrig.

Nova - Martin Marietta Erweiterte Designs

Im Grunde starb das Programm, weil es nicht benötigt wurde, es gab keinen Plan für eine bemannte Mission zum Mars, was der einzige Anwendungsfall dafür war.

Die Konzepte in Ihrem unteren Bild beziehen sich auf die Post-Apollo-Marsraketen, die ebenfalls unter dem Namen Nova konzipiert wurden. Die für den direkten Aufstieg benötigte C-8 Nova wäre 60%-65% größer als Saturn V gewesen, nicht eine "Größenordnung" größer.
Irgendeine Beziehung zu SeaDragon?
@RussellBorogove Erlaubt SLS Block II einen anderen Modus für eine Mondmission als einen Apollo-Modus? Könnte seine größere Kapazität es zulassen, dass der Apollo-Lander während des Fluges NICHT getrennt, umgedreht und angedockt werden müsste? Ermöglicht Verkleidungs- und Stützstrukturen und eine Neugestaltung, um sie beim Start verkehrt herum anzudocken. (Oder gibt es vielleicht keinen Grund, ein solches Wendemanöver zu überspringen, vielleicht hat es fast keinen Nachteil?)
SLS-Block II mit 130 Tonnen für LEO ist nicht wesentlich stärker als Saturn V mit ~125 Tonnen. Das Transpositions-, Andock- und Extraktionsmanöver, wie in einer älteren Antwort besprochen, wird im Wesentlichen durch das Design des Apollo-Startfluchtsystems erzwungen, und auf jeden Fall müssen Sie, wenn Sie LOR (die masseneffiziente Strategie für die Mondlandung) planen Seien Sie trotzdem zuversichtlich in diesem Andockmanöver.
@sarahbailey Keine wirkliche Beziehung zu Sea Dragon außer einer Nutzlast von einer Million Pfund. Sea Dragon forderte auf jeder Stufe einen enormen Niederdruckmotor, die Martin Nova-Konzepte arrangierten viele kleine Motoren in einer Plug-Düsen-Konfiguration usw.

Während des frühen Teils des Apollo-Programms wurde der Modus "Direkter Aufstieg" bevorzugt und das Lunar-Orbit-Rendezvous (LOR) als viel zu komplex angesehen. Tatsächlich wurden die Spezifikationen des Apollo-Servicemoduls durch den direkten Aufstiegsplan festgelegt: Das SPS-Triebwerk ist so dimensioniert, dass es vom Mond abhebt, und der Treibstofftank reicht für den Mondaufstieg und die Rückkehr zur Erde aus.

Die für den direkten Aufstieg benötigte Nova-Rakete wäre etwa 60 % schwerer gewesen als die Saturn V (~4750 Tonnen gegenüber ~2970 Tonnen). Die Entwicklung dieser großen Rakete würde sehr lange dauern. Kennedys Rede "bevor das Jahrzehnt zu Ende war" setzte eine Frist für das Programm, und Nova würde zu lange dauern. Das Projekt sah sich LOR noch einmal an, kam zu dem Schluss, dass dies der schnellste und billigste Ansatz war, und entschied sich dafür. Dies prägte das Gemini-Programm; Wenn die Mondmission ein Rendezvous erforderte, musste die NASA lernen, wie man das macht.

Kennedys Frist setzte auch effektiv eine Frist für das sowjetische Weltraumprogramm, also ist es wahrscheinlich, dass die gleiche Logik sie zu einer Rendezvous-Strategie trieb. Der große Vorteil von LOR ist, dass je kleiner der Lander ist, desto weniger Treibstoff muss für den Mondabstieg und -aufstieg mitgeführt werden, und das sowjetische LK war tatsächlich winzig und kompromittiert, trug einen Mann anstelle von zwei, sodass das Besatzungsmitglied EVA zum Einsteigen benötigte. usw.

Es wäre lohnenswert, die ideale Raketengleichung zu erwähnen und zu erklären, warum dies dazu führen kann, dass eine geringfügige Vergrößerung der Nutzlast zu einer größeren Vergrößerung der Rakete führt.
Auhoo. Damit ist der SLS unbrauchbar als... Er könnte also nur mit kleinen Extras das Apollo-Konzept wiederholen? Es ist wie ein Schuhmacher, der Ihnen zwei Paar Schuhe anbietet, die halb so groß sind wie Sie. Wenn die SLS das Mondmissionskonzept von Apollo nicht verbessern kann, dann ist mein letzter Versuch, es zu mögen, endgültig verschwunden. Selbst die Trägerraketen, von denen die Russen und Chinesen träumen, sind nicht groß genug für einen direkten Start. Wenn er 65% größer sein muss als Saturn V. Plötzlich nahm die Entfernung zum Mond in meinen Gedanken zu.
SLS ist einfach nicht für die Mondlandung mit einem Start gedacht. Sollte auf magische Weise ein Mondlandebudget erscheinen, ist ein Rendezvous mit zwei Starts in der Erdumlaufbahn wahrscheinlich für eine Mission vom Typ Altair praktisch.
... und es macht einfach keinen Sinn, den gesamten Treibstoff, der für den Mond-Erde-Transfer benötigt wird, auf die Mondoberfläche und wieder zurück zu transportieren. Wenn Sie die Kapazität haben, ist es besser, sie für mehr wissenschaftliche Nutzlast zu verwenden und den Treibstoff trotzdem im Orbit zu lassen. Sei es in Form eines „Befehlsmoduls“, eines zusätzlichen Antriebsmoduls oder auch nur eines Kraftstofftanks. Das orbitale Rendezvous ist derzeit eine Routineoperation, daher ist die Komplexität kein so großes Problem. Aber die Kosten, die durch die schiere Größe entstehen, sind ein größeres Problem als in den 70er Jahren.
@SF.: FTM, Sie könnten einen langlebigen Mondlander bauen und einfach Ersatzkraftstofftanks in die Mondumlaufbahn schicken.
@SF: Wird nicht der größte Teil des Treibstoffbudgets benötigt, um von der Mondoberfläche in die Mondumlaufbahn zu gelangen? Der größte Teil des für eine Erdlandung erforderlichen Delta-V kann durch Aero-Braking erreicht werden. Das führt natürlich zu der Zwillingsbeobachtung, dass man den Hitzeschild auch nicht zur Mondoberfläche hinuntertragen möchte, aber auch, dass man die Mondaufstiegsstufe nicht schonend zurück zur Erde bringen möchte. Mehr Masse zum Herunterfahren bedeutet einen größeren Hitzeschild.
@MSalters: Der größte Teil des Treibstoffbudgets gelangt von der Erde nach LEO. Aber die Masse der letzten Etappen beeinflusst die Startmasse am meisten, und diese ist die vorletzte, also ist ihr Einfluss ziemlich groß.
@SF.: Ich spreche mit LEO nicht über die Erdoberfläche . Ich weiß, das ist schwer; Sie haben die größte Masse, hohe Schwerkraft und Luftreibung, die alle im Einklang arbeiten. Es geht um die Phasen danach. Insbesondere die allerletzte Phase ist ziemlich einfach: geringe Masse (nur Kapsel), Luftreibung, die der Schwerkraft entgegenwirkt (Aerobraking), sodass Sie für diese Phase wenig Kraftstoff benötigen. Und da das so wenig ist, macht es auch nichts, wenn es einen Umweg über die Mondoberfläche nimmt.
@MSalters: AFAIK Apollos hat nie eine Erdbrems- / Capture-Verbrennung durchgeführt, sie traten direkt von der translunaren Flugbahn in den Wiedereintritt ein, und die Mondumlaufbahn-Abfahrtsverbrennung war auch nicht delta-V-hungrig. Aber die Wände des Landers bestanden buchstäblich aus Alufolie, während die Wiedereintrittskapsel ziemlich robust sein musste, ganz zu schweigen von einem SCHWEREN Stück Hitzeschild. DAS Landen und Starten vom Mond würde viel mehr Treibstoff verbrauchen als der Alufolien-Lander – mehr als die Gesamtmasse der robusten Wiedereintrittskapsel mit ihrem Hitzeschild!
Der Aufstieg von der Mondoberfläche zum LLO beträgt etwa 1730 m/s; Der LLO-Erde-Abschnitt beträgt etwa 680 m/s. Vom Abfangen erledigt das atmosphärische Bremsen den Rest. Der Aufstieg ist also der größere Teil, aber TEI ist ein sehr wichtiger Teil des Budgets.

Auf sowjetischer Seite hätte das UR-700/LK-700- Projekt von Vladimir Chelomey ein Missionsprofil mit direktem Aufstieg verwendet. Der UR-700 war 76 Meter hoch und an der Basis 17,5 Meter breit; das hätte in etwa so ausgesehen:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(von links nach rechts: N-1, Saturn V, UR-700)

Am UR-700 wurde nicht viel Designarbeit geleistet, aber es gab Probleme bei der Entwicklung der schubstarken RD-270- Motoren, die das Ganze antreiben. Es überschnitt sich zu sehr mit dem bereits bestehenden N-1-Projekt und wurde nie weiterentwickelt.

Es ist komisch, wie sehr das wie ein Raketendesign des Kerbal-Space-Programms aussieht, mit vielen zylindrischen Raketen, die miteinander verbunden sind!
Die Strap-Ons auf der unteren Stufe sind von Proton-Komponenten (auch bekannt als UR-500) abgeleitet; Ein Teil von Chelomeys Pitch für den UR-700 war, dass er Teile des UR-700 schrittweise auf kleineren Raketen testen konnte.
@DylanSp: Bewegen Sie sie auch auf Eisenbahnen.
@ DylanSp Was ist der Zweck der offenen Gitterabschnitte auf der N-1? Würden sie nicht Luftwiderstand und Turbulenzen hinzufügen?
@BlokeDownThePub Das klingt nach einer guten Folgefrage.
@BlokeDownThePub: Beseitigt die Notwendigkeit von Freiraummotoren; Starte die nächste Stufe vor dem Flammenausfall der früheren Stufe, lasse Flammen durch das Gitterwerk dringen, die Trennung erfolgt, während die nächste Stufe bereits läuft.
@PeterCordes Ich habe mich angemeldet, um dasselbe zu kommentieren, haha!
@PeterCordes: Es war sogar geplant, eine Spargelinszenierung nach Kerbal-Art zu verwenden.

Es ist keine Raketenwissenschaft, eigentlich ist es Raketenwissenschaft. Raketen sind überhaupt nicht sehr effizient, und das Schlimmste ist, dass sie, um etwas Nützliches zu transportieren, den Treibstoff tragen müssen, um das nützliche Bit zu pushen, dann müssen sie den Treibstoff tragen, um den Treibstoff zu tragen, um das nützliche Bit zu pushen und so weiter. Saturn V war beim Start etwa dreitausend Tonnen schwer und konnte 45 Tonnen in Richtung Mond schieben, sodass nur etwa 1,5 % des Startgewichts die Erde in Richtung Mond verließen. Um den Mondlander auf 50 Tonnen zu erhöhen, hätte Saturn V auf fast 4.000 Tonnen zunehmen müssen. Die Apollo-17-Raumkapsel, die sie aus dem Pazifik geholt haben, wog wahrscheinlich nicht viel mehr als drei Tonnen, was einem Gesamtwirkungsgrad von 0,1 % entspricht.

Es gab noch ein weiteres Argument gegen den direkten Aufstiegsmodus. Eine sehr große und komplexe Rakete soll auf und von der Mondoberfläche gelandet und gestartet werden. Aber Raketen dieser Größe würden auf der Erde eine Startrampe, einen Startturm, Verbindungen zu einem Kontrollraum, einen Countdown mit vielen Schritten und viel Personal erfordern. Aber die Raketenmotoren des Servicemoduls und des für den Mond-Rendezvous-Modus verwendeten Mondmoduls konnten sehr einfach und zuverlässig gebaut werden. Keine Turbopumpen, keine Gasgeneratoren erforderlich, nur komprimierter Stickstoff aus Tanks zur Druckbeaufschlagung von Treibmitteln. Diese Motoren könnten in der Schwerelosigkeit gezündet werden. Der hypergolische Brennstoff ermöglichte eine unbegrenzte Wiederzündung.

Vergleichen Sie die zusätzliche Arbeit, um eine größere Rakete zu bauen (und vergessen Sie nicht, dass die Kosten dank unseres guten Freundes, der Tsiolkovski-Gleichung, die hässliche Tendenz haben, sich zu potenzieren) mit ein paar Stunden für das Andocken. Raketen sind nicht billig.

Die Hauptsache ist, dass Sie sowieso andocken müssen - um die Mondbesatzung vom Mond zurückzuholen. Sie sparen also nichts als diese paar Stunden; Bei einer größeren Rakete ist weiterhin die gesamte erforderliche Docking-Ausrüstung erforderlich. Es sei denn, Sie erwägen, das Landemodul stark genug zu haben, um zu landen, aufzusteigen und zur Erde zurückzufliegen und dort zu landen. In diesem Fall siehe Absatz eins - absurd teuer.

Die Sowjets benutzten kein Andocken. Aber das lag nicht daran, dass sie das Andocken für unerwünscht hielten, sondern daran, dass sie es einfach nicht konnten. Sie hatten nicht die Fähigkeit. Stattdessen sollte ihr Astronaut einen Weltraumspaziergang machen, und sie konnten das (Rest des) Landemoduls nicht für die Hin- und Rückreise nutzen.

Beachten Sie, dass wir trotz all der modernen Technologie, die wir jetzt haben, immer noch denselben grundlegenden Ansatz verwenden. Das Space Shuttle war immer noch eine inszenierte Rakete, obwohl das Stück, das zur Erde zurückkehrte, erheblich größer war als jeder frühere Versuch. Moderne private Raketen experimentieren viel mit der Wiederherstellung der verbrauchten Stufen, verwenden aber immer noch die gleichen grundlegenden Staging-Ansätze. Das liegt daran, dass unsere Triebwerke fürchterlich ineffizient sind, was zusätzlich dazu, dass Treibstoff transportiert werden muss, bedeutet, dass die Kosten für zusätzliches Gewicht nicht sehr gut skaliert werden – wir neigen dazu, die kleinstmögliche Rakete für die anstehende Aufgabe zu verwenden. Sie verwenden eine große Rakete, um aus dem atmosphärischen Widerstand herauszukommen, eine kleinere Rakete, um den Rest der Reise (und Geschwindigkeit) in die Umlaufbahn zu bewältigen, eine kleinere Rakete, um Ihre Umlaufbahn zu kreisförmigisieren oder eine Injektion zu starten.

Der Nova-Direktaufstiegsplan erforderte kein Andockmanöver; Das Kommandomodul mit seiner dreiköpfigen Besatzung wäre als Teil eines zweistufigen Fahrzeugs gelandet, ohne dass etwas in der Mondumlaufbahn übrig wäre.
@RussellBorogove ... und der Nova wurde verworfen, weil es sich einfach nicht gelohnt hat. Ich verstehe nicht, wie das meine Aussage entkräften soll :)
@Luaan: Es macht den ersten Satz in Ihrem zweiten Absatz ungültig. Der Nova-Plan musste „sowieso nicht andocken“.
@ TonyK "Es sei denn, Sie erwägen ..." Wenn Sie das Andocken vollständig vermeiden möchten, benötigen Sie eine lächerlich große Rakete. Tatsächlich war der ursprüngliche Nova-Missionsplan nicht nur zu groß für die geplante Nova-Rakete, er hätte auch das Andocken von 15 separaten Starts im Orbit unter Verwendung des damaligen Saturn-Designs erfordert. Sie erwogen Nuklearmotoren, um das erforderliche Delta-V (mit Ausnahme des Erdaufstiegs natürlich) und andere komplexe und ungetestete Technologien (wie Aerospikes) zu erhalten - ganz zu schweigen davon, dass es für die bestehenden Fabriken zu groß war. Ich weise nur darauf hin, dass das OP die Kosten stark unterschätzt.
Worüber redest du? Die Nova-Mondmission wäre ein Einzelstart gewesen, direkter Aufstieg, kein Andocken, keine Atombombe, mit einer Rakete, die auf dem Nova 8L-Konzept basiert. Eine einzelne ~4800-Tonnen-Trägerrakete, ~180 Tonnen für LEO, könnte eine Apollo CM/SM + Mondabstiegsstufe landen. astronautix.com/n/nova8l.html Die 15-Saturn-I-Startstrategie war verrückt und dauerte nicht länger als 1959.
Das Space Shuttle hat ein größeres Stück zurück: ok, aber es ging nur etwa 500 km hoch und blieb weit unter der Fluchtgeschwindigkeit (= Energie). Dieses größere Bit weist also nicht auf eine bessere Technologie hin.
@Roland Yup, das war das Ziel. Es sollte ein billiges Shuttle in den Orbit sein; es hat nicht so geklappt wie geplant :)

Während der Apollo-Missionen wurde der Mondlander getrennt, umgedreht und während des Fluges angedockt.

Dieser Punkt wurde von keiner der anderen Antworten wirklich angesprochen.

Im Gegensatz zur Trennung, um den Lander zu landen, und dem anschließenden Andocken, um die Besatzung zurückzuholen, gibt es für dieses Manöver einen ziemlich einfachen Grund.

Der Befehls-Pod muss beim Start ganz oben auf dem Stapel stehen, da es keine andere Möglichkeit gibt, ein funktionierendes Abbruchsystem zu haben. Das bedeutet, dass Sie den Lander nicht auf der Oberseite der Rakete vorbefestigen können. Ebenso kann sie auch nicht hinterhergeschleppt werden, da sich die Endstufenrakete hinter der Kommandokapsel befindet, und

  1. Sie können die Besatzung nicht durch die Rakete transferieren
  2. Das Abfeuern des Raketentriebwerks auf den Lander ist unerwünscht

Damit bleibt die einzige praktikable Option, den Lander beim Start unter (hinter) der Kommandokapsel zu haben, ihn aber nach vorne zu bewegen, sobald das Abbruchsystem nicht mehr benötigt wird, was die in der Frage beschriebene Operation ist.

Eine größere Rakete würde es nicht zulassen, dass dieser Schritt entfernt wird.

Wenn eine viel größere Rakete für einen direkten Aufstieg von der Mondoberfläche verwendet würde, wird kein separater Lander verwendet. Die Kommandokapsel würde auf dem Mond landen.
@Uwe Nun, ich habe versucht, den warum so komplizierten Teil der Frage anzusprechen, der meiner Meinung nach durch die anderen Antworten unterrepräsentiert war. Sie machen den direkten Aufstiegsteil gut genug, dass ich sie nicht wiederholen muss. Ich wollte darauf hinweisen, dass die Skalierung allein nicht die Ursache für die Komplexität ist (obwohl die Landung der Kapsel auf einmal das Problem lösen würde). Für allgemeine "Warum keine größere Rakete" -Gedanken beantwortet youtu.be/Sfc2Jg1gkKA diese Frage auch recht gut.
Warum wurden Saturn V und die sowjetischen N-1-Mondraketen nicht größer gemacht, um Mondmissionen zu vereinfachen?
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