Was ist insgesamt teurer im Betrieb für eine letzte Raketenstufe? LH2/LOX oder Hypergole wie UDMH/N2O4?

Sehen Sie sich für eine obere Stufe die Raketenserie Long March als Fallgeschichte an. Für den Langen Marsch 2-4 verwenden die Booster hypergolische Treibstoffe, während die obere Stufe LOX/LH2 verbrennt. Angesichts der jahrzehntelangen Erfahrung mit den hypergolischen Motoren deutet dies darauf hin, dass LH2 billiger ist. Im Wesentlichen haben sie die Entscheidung getroffen, einen größeren Booster zu bauen oder Strap-Ons hinzuzufügen oder Multi-Core zu verwenden, um die Nutzlast zu erhöhen, oder die Endstufe durch Verwendung eines höheren ISP-Kraftstoffs leichter zu machen. Dies weist auch darauf hin, dass Sie eine Rakete nicht in einem (logischen) Vakuum entwerfen können. Eine Oberstufe, die einer 10-Tonnen-Nutzlast 3 km/s geben kann, ist möglicherweise billiger zu bauen, zu betanken und mit Hypergolen zu betreiben, aber das Gesamtgewicht wird schwerer sein als eine LH2-betriebene Stufe mit der gleichen Leistung, und das bedeutet Schub Bühnen müssen größer und schwerer sein und kosten daher mehr.

Schauen Sie sich auch die J-2 an. Hypergolics sind einfach neu zu starten. Der J-2 war jedoch neu startbar. Am wichtigsten ist, dass die J-2 nicht unter den gleichen Betriebsflüchen gelitten zu haben scheint, die Booster haben, wenn sie LH2 tragen. Wenn wir die J-2 LOX/LH2-Triebwerke in Apollo-Oberstufen ohne große Verzögerungen geflogen haben, scheint es aus rein empirischer Sicht keinen zwingenden Grund zu geben, mehr $ für einen hochgiftigen, schwereren und ätzenden Ersatz auszugeben Treibstoff.

Allerdings verwendete Long March 1 eine Feststoffraketen-Oberstufe. Wasserstoff ist knifflig; Entwicklungszeiten sind lang und teuer.

Berücksichtigen Sie dabei die Systemkapitalkosten? F&E und Bau Ihrer Hardware? Oder basiert Ihre Frage auf bestehenden versunkenen Kosten?

Ich fürchte, Sie stellen die gleiche Frage, die jeder Raketenkonstrukteur seit Goddard gestellt hat, wenn er ein Projekt mit einem leeren Blatt Papier beginnt. Es gibt keine endgültige Antwort, sondern nur die Antwort, die unter Berücksichtigung aller bekannten Faktoren und besten Modellierungspraktiken für ein bestimmtes Design zu einem bestimmten Zeitpunkt am besten erscheint.

Hypergole sind teuer und schwer zu handhaben, aber die Konstruktion eines hypergolischen Triebwerks ist viel einfacher als für ein kryogenes LH2. Wenn Sie also nach dem schnellsten und billigsten System suchen, das Sie für eine kleine Anzahl von Starts entwickeln und implementieren können, ist Hypergolic wahrscheinlich das bessere der beiden. Wenn Sie mehr Zeit und Entwicklungsgeld haben und eine längere Lebensdauer für Ihr System planen, fühlen Sie sich zu LOX/LH2 getrieben. LOX scheint eigentlich nicht so schwierig zu handhaben zu sein; Es ist das LH2, das dich umbringt.

Pro SF ist $/kg Nutzlast Ihre endgültige technische Metrik.

Sehen Sie sich die Geschichte an, um Ihre Antwort zu informieren. Goddard und der V2 verwendeten LOX mit Benzin bzw. Alkohol/Wasser. Die Titan 1 verwendete LOX/RP1. Für die Titan II modifizierten sie den LR-87-Motor in den hypergolisch betriebenen LR-87-5, damit ihre Interkontinentalraketen mit Treibstoff bei Raumtemperatur gelagert werden konnten. Die Entscheidung basierte also auf Speicherplatz, nicht auf Leistung, und die technischen Herausforderungen waren ähnlich genug, um einen LOX/RP-1-Motor zu modifizieren, anstatt etwas Neues zu entwerfen. Daraus können wir ersehen, dass Forschung und Entwicklung sowie die Herstellung eines hypergolischen Triebwerks mit denen für LOX/RP-1-Triebwerke vergleichbar sind, die ungefähr so ​​​​billig sind wie Raketen mit Flüssigbrennstoff. Hypergolische Treibstoffe sind sehr teuer, aber wenn Ihre Trägerrakete einen kurzen Entwicklungszyklus und ein begrenztes F&E-Budget hat und Sie eine kleine Anzahl von Starts planen, gewinnt hypergolische. Eigentlich gewinnt LOX/Kerosin, aber das ist nicht Ihre Frage.

Wenn Sie 30 Jahre und Milliarden von $ Zeit haben, um Ihr Design zu wiederholen, dann gewinnt LOX/LH2. Der Beweis ist der Delta IV und sein RS-68. Wenn jahrzehntelange technische Erfahrung darauf hindeutet, dass ein hypergolischer Booster Nutzlasten billiger (pro kg Nutzlast in die Umlaufbahn) bringt, würde ULA Geld in hypergolische Booster stecken oder die Regierung dazu drängen, neue Entwicklungsanstrengungen zu finanzieren.

Ich habe eine Voreingenommenheit. Ich hasse LOX/LH2-Systeme. LH2 ist einfach böse. Es sickert durch "Risse" in Schweißnähten, die jedes andere Material als vollkommen undurchlässig betrachten würde. Heißer Wasserstoff macht Metall BLISTER. Es ist so kalt, dass die Schaumisolierung der Shuttle-Tanks mit Helium aufgeschäumt werden musste; das Aufschäumen mit Luft führt dazu, dass die Luft kondensiert und der Schaum zusammenfällt. Ich denke, wenn das Shuttle-Programm weniger Verzögerungen aufgrund der Verfolgung winziger Wasserstofflecks gehabt hätte, wären sie vielleicht eher bereit gewesen, echte Bedenken wie die SRB-O-Ringe anzugehen. Ich halte es für ein technisches Wunder, dass es ihnen gelungen ist, LH2 zu "zähmen" und die Delta IVs planmäßig zu starten. Wenn man bedenkt, dass sie auf der SSME-Technologie aufbauen, ist es ein Wunder, dass sie seit 45 Jahren in der Mache ist. Beachten Sie auch, dass ULA Delta IV nur verwendet, wenn es möglich ist.

Und deshalb hat LOX/RP-1 wieder an Popularität gewonnen, insbesondere in Boostern. Der niedrigere ISP beeinträchtigt die Leistung nicht annähernd so stark wie in einer oberen Stufe. Sicher, es ist eine „50er-Jahre-Technologie“, aber als solche hat sie 70 Jahre technische Verfeinerung hinter sich und führt zu einer Nutzlast von $/kg, die viel niedriger ist als bei konkurrierenden LH2-Systemen.

Angesichts meiner Voreingenommenheit lautet meine Antwort "Weder noch". Wenn Sie nicht über ein nahezu unbegrenztes Entwicklungsbudget und einen nahezu unbegrenzten Zeitplan verfügen, entscheiden Sie sich für eine erste Phase für LOX/RP-1 oder LOX/LMethane für Ihre günstigste $/kg-Nutzlast. Das scheint für die kleinsten bis zu den größten Startsystemen zu gelten.

Zweite Etage? Weitere technische Entscheidungen, aber LH2 ist wahrscheinlich Ihr Gewinner. Betrachten Sie die J-2 als Ihre Fallgeschichte. Der schlechte ISP von Hypergolics wird Ihrer Gesamtsystemleistung mehr schaden als auf einer ersten Stufe. Hypergolics sind einfach neu zu starten. Der J-2 war jedoch neu startbar. Am wichtigsten ist, dass die J-2 nicht unter den gleichen Betriebsflüchen gelitten zu haben scheint, die Booster haben, wenn sie LH2 tragen. Wenn wir die J-2 LOX/LH2-Triebwerke in Apollo-Oberstufen ohne große Verzögerungen geflogen haben, scheint es aus rein empirischer Sicht keinen zwingenden Grund zu geben, mehr $ für einen hochgiftigen, schwereren und ätzenden Ersatz auszugeben Treibstoff.

Und haben Sie sich über Stickstofftetroxid informiert? Das Zeug ist böse. Soweit ich das beurteilen kann, werden Sie sterben, wenn Sie es riechen können.

Betriebskosten müssen berücksichtigt werden, von der Produktion über den Transport bis hin zum Laden und Starten der Rakete.

... und da es um die Anwendung in der letzten Raketenstufe geht, muss dies die Kosten beinhalten, um die letzte Stufe auf Höhe und Geschwindigkeit zu bringen, wo diese Stufe gezündet wird.

Und hier kracht und brennt der Vergleich zu Kryotreibstoffen.

UDMH/$N_2O_4$hat einen schlechten Dichteimpuls, 316 kg s/l. LOX/LH2 - 124 kg-s/l.

Das bedeutet, dass Sie viel mehr davon in die Endstufe laden müssen, als beispielsweise LOX/LH2, um das gleiche Delta-V zu erreichen.

Und das bedeutet, dass unabhängig von den Kosten für Produktion, Transport, Beladung und Betankung der Endstufe die Kosten für den teuersten Teil der Rakete – die Startphase – sprunghaft steigen. Jegliche Vorteile in Bezug auf die Reduzierung der Kosten oder Komplexität der Endstufe werden vollständig von den erhöhten Kosten der Anfangsstufen überschattet, die die erhöhte Nutzlast handhaben müssen.