SpaceX hat ein Upgrade seiner Falcon 9-Rakete angekündigt , die, soweit ich das beurteilen kann, mit den gleichen Raketenmotoren (zumindest nennen sie die Motoren anscheinend immer noch "Merlin 1D") größere Schubkraft erreicht. Siehe diese Frage , die keine abschließende Antwort auf Motoränderungen hatte. Die Änderung bringt die Merlin 1D von 147.000 lb Schub auf Meereshöhe auf 170.000 lb, eine Steigerung von 15,6 %.
Der erhöhte Schub ist offenbar auf die Umstellung auf die Verwendung von extrem gekühltem Treibstoff (RP-1-Kerosin) und Sauerstoff zurückzuführen. Nicht nur flüssig, sondern kaum über der Temperatur, bei der es fest gefrieren würde. Dies erhöht die Dichte der Treibmittel, wodurch vermutlich mehr Kraftstoffmasse in den Tanks enthalten sein kann und die Durchflussrate (Masse pro Zeiteinheit) durch die Turbopumpen und Raketendüsen erhöht wird.
Meine Frage ist, warum machen sie das erst jetzt? 15 % mehr Schub von den gleichen Triebwerken und eine erhöhte Kraftstoffkapazität (obwohl dadurch auch das Startgewicht erhöht wird) scheinen höchst wünschenswerte Änderungen zu sein. Was sind die Risiken dieses Ansatzes, die dazu geführt haben, dass er zuvor nicht verwendet wurde?
Ein paar Vermutungen:
Obwohl ich natürlich hoffe, ein möglichst vollständiges Bild zu erhalten, können Sie gerne Teilantworten (dh eine Sache, von der Sie wissen, dass sie eine erhebliche Herausforderung darstellt) als Antworten und nicht als Kommentare posten.
Es wird behauptet, dass die Merlin 1Ds die ganze Zeit auf dem Niveau von Falcon 9 1.1 Full Thurst laufen konnten. Um sie jedoch früher auf dem Falcon 9 1.1 zum Einsatz zu bringen, wurden sie zunächst nur für 85 % des Designmaximums zertifiziert.
Daher besteht diese Entwicklung nur darin, sie mit vollen Einstellungen auszuführen. Wenn ich es richtig verstehe, dient das verdichtete Treibmittel und Oxidationsmittel nicht dazu, den zusätzlichen Schub zu erzielen, sondern ihn bei minimalen Tankdehnungen auszunutzen.
Es wird berichtet, dass die aktuelle erste Stufe an den Grenzen des einfachen Lkw-Verkehrs auf dem US-Interstate-System liegt. Sie müssen in der Lage sein, es legal und sicher von Hawthorne, Kalifornien, nach McGregor, TX, und von beiden nach Cape Caneveral, FL, zu fahren. Basierend auf diesen Straßen lehnen sie es ab, die erste Etappe viel weiter zu dehnen, um diese Grenzen nicht zu erreichen.
Wenn Sie also den Schub erhöhen, erhöhen Sie den Durchfluss durch den Motor, was bedeutet, dass Sie den Kraftstoff / das Oxidationsmittel schneller verbrauchen und schneller durch den Tank laufen, was bedeutet, dass Sie nicht so lange schieben können. Verdichtung hilft, aber mehr in den gleichen Raum zu packen.
Es gibt wahrscheinlich viele Probleme mit der Kühlung des Treibmittels, aber mindestens eines ist, dass Sie vom Betanken bis zum Start weniger Zeit auf dem Pad haben, bevor sich der Kraftstoff und das Oxidationsmittel zu stark erwärmen, um die erforderliche Leistung aus dem Fahrzeug herauszuholen.
Es wird erheblich teure Hardware benötigt, die ziemlich nahe am Startort liegt (und daher gehärtet werden muss, um Starts zu überleben), um den Treibstoff und das Oxidationsmittel zu kühlen. (Das Verlegen von isolierten Rohren ist schwierig, aber machbar, wie die NASA mit den LH2-Leitungen für Saturn V herausfand).
Wir haben heute Abend einen der größten Nachteile bei der Verwendung des kondensierten Treibmittels gesehen. Erstens werden LOX und RP-1 erst in letzter Minute (-10:00) geladen, damit sie sich minimal aufheizen. Das führte zu dem Peeling von heute Nacht, nehme ich an. (Meine Vermutung ist, dass sie bereit waren, die Nabelschnur zu ziehen, und der LOX war nicht voll geladen.) Ein weiterer großer Nachteil, den wir sehen, ist, dass sie es sein müssen, sobald die LOX / RP-1 geladen sind, wenn der Start ins Stocken geraten ist vor einem weiteren Versuch entladen und neu geladen werden, was für die meisten Startfenster zu viel Zeit in Anspruch nimmt. Aus diesem Grund schrubben sie, wenn es um -1:40 Uhr anhält, den gesamten Start, den wir heute Abend gesehen haben.
Es ist interessant, dass sie laut der SES-9-Webcast-Startseite im Livestream den gestrigen Start geschrubbt haben, weil die Treibmittel nicht kalt genug waren:
Launch-Update (25. Feb. 2016):
Die Falcon 9 bleibt im Vorfeld der Mission von SpaceX und SES, den Satellit SES-9 in den geostationären Transferorbit zu bringen, gesund. Aus Vorsicht entschied sich das Team, den Start auf heute zu verschieben, um sicherzustellen, dass die Temperaturen des flüssigen Sauerstoffs so niedrig wie möglich sind, um die Leistung des Fahrzeugs zu maximieren. SpaceX peilt nun morgen, Donnerstag, den 25. Februar, um 18:46 Uhr ET den Start von SES-9 an.
In vielen Fällen wahrscheinlich kein ernsthaftes Problem, aber manchmal können Peelings ein großes Problem für den Zeitplan und die Kosten darstellen.
Ein Grund für die Erhöhung der Treibstoffdichte kann auch darin bestehen, die Beschleunigung im frühen Teil des Fluges zu maximieren. Die Zeit, die eine Rakete bei niedriger Geschwindigkeit verbringt, verschwendet viel Treibstoff und verschlechtert das Verhältnis von Nutzlast zu Raketengewicht. Aus diesem Grund haben schwere Raketen zwei oder mehr zusätzliche Booster, die die Beschleunigung in der ersten Flugphase verbessern. Die Verbesserung der Leistung durch Verwendung von verdichtetem Treibstoff hilft und ist am Anfang am nützlichsten, während die Rakete am schwersten ist.
Sie wollen nicht mehr Kraftstoff als nötig mitnehmen, denn das ist nur zusätzliches Gewicht.
Die Landung an Land erfordert jedoch zusätzlichen Treibstoff (die Bühne muss zurückfliegen) und daher mussten sie den Treibstoff weiter kühlen, damit sie mehr davon in den Tank füllen können.
Was den Schub betrifft, denke ich, dass geoffc richtig ist und sie den Motor einfach mit einer höheren Einstellung laufen lassen. Wahrscheinlich mussten sie das tun, um das zusätzliche Kraftstoffgewicht tragen zu können.
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