Was wäre die Konfiguration und Leistung für Saturn V mit allen Stufen RP-1/LOX?

Wenn wir die beladenen Massen der drei Stufen der Saturn V konstant halten, aber auf Kerosintanks, Motoren und Treibstoffe für die oberen Stufen umstellen, erhalten wir eine Rakete, die vielleicht 55 Tonnen nach LEO und 9 Tonnen translunar schicken kann – nicht genug für eine bemannte Landemission, aber sicherlich genug für einen Vorbeiflug und möglicherweise eine bemannte Mondumlaufmission. Zwei Starts und ein Erdorbit-Rendezvous könnten möglicherweise eine Sojus/LK-Landermission mit nackten Knochen ergeben, und drei Starts und EOR könnten wahrscheinlich eine Apollo CSM/LM-Mission durchführen.

Die erste Stufe bleibt ein 5-motoriger S-IC , 2148 Tonnen Treibstoff, 132 Tonnen trocken.

Zweite Stufe wäre 447 t Treibmittel, 34 t trocken, 1x F-1- Motor.

Die dritte Stufe wäre 106 t Treibmittel, 9 t trocken, 1x H-1- Motor.

Für einen translunaren Flug müsste die H-1 der dritten Stufe modifiziert werden, um eine Neustartfähigkeit bereitzustellen. es würde einmal brennen, um in LEO zu kommen und dann wieder für TLI, wie die J-2 auf der dritten Stufe von Saturn V.

Die Gesamtmasse der Startrampe würde 2885 Tonnen für die translunare Mission betragen, 2931 Tonnen für 60 Tonnen an LEO.

Die oberen Stufen wären viel kompakter als beim Saturn V, wie Sie bemerken. Die zweite Stufe wäre tatsächlich etwa so groß wie die dritte Stufe des Saturn V, sodass der Stapel eher wie die vorgeschlagene Saturn INT-20- Konfiguration aussehen könnte.

(Geänderte Tonnagen, um konservativere Kraftstofftank-Massenanteile widerzuspiegeln.)

Es wäre wahrscheinlich nicht praktikabel gewesen, einen dreistufigen Einzelstart LOR Saturn / Apollo nur mit Kerosin zu machen; der spezifische Impulsvorteil der J-2- Triebwerke ist einfach zu groß.

Nach meinen Kalkulationsschätzungen könnte eine vierstufige Kerosinrakete, die dreimal so groß ist wie Saturn V, dies tun.

Die translunare Stufe, S-IV-K, ist 138 Tonnen Treibstoff, 12 Tonnen trocken, 47 Tonnen Nutzlast (Apollo CSM und LM). 1x H-1- Motor (wie beim Saturn 1B verwendet).

Dritte Stufe, S-III-K, 465 Treibstoff, 35 t trocken, 1x F-1- Motor.

Zweite Stufe, S-II-K, 1674 t Treibstoff, 126 t trocken, 3x F-1-Motoren.

Erste Stufe, SIK, 6392 t Treibstoff, 408 t trocken, 16x F-1-Motoren.

Die gesamte Startmasse dieser "Saturn XVI" würde 9297 Tonnen betragen.

Die ersten 3 Stufen erzeugen ~9600 m/s Delta-V und bringen das Tier auf eine 185 km lange kreisförmige Umlaufbahn. Die vierte Stufe produziert ~3400 m/s, um das Raumschiff zum Mond zu schicken.

Die Masse konnte mit optimierteren Motoren erheblich gesenkt werden; Sowohl der F-1 als auch der H-1 wurden als Triebwerke der ersten Stufe entwickelt. Größere Düsenverlängerungen, insbesondere in der 3. und 4. Stufe, würden den spezifischen Impuls verbessern, ohne dass völlig neue Triebwerkskonstruktionen erforderlich wären. Mit einer „H-1V“, die 320er ISP produzierte, und einer „F-1V“, die 337er produzierte, konnte die Gesamtstartmasse auf etwa 6820 Tonnen gesenkt werden, mit „nur“ 12 Triebwerken in der ersten Stufe.

Meine beiden Antworten sind offensichtlich nur grobe Machbarkeitsschätzungen im Kerbal-Stil.

(Geänderte Tonnagen, um konservativere Kraftstofftank-Massenanteile widerzuspiegeln.)

Ein weiterer Ansatz zur Beantwortung ist die sowjetische N-1-Rakete, die sich tatsächlich entwickelt hat, um eine sowjetische Version der von Apollo durchgeführten Lunar Orbit Rendezvous-Strategie zu versuchen. Den Sowjets fehlte ein gut entwickelter Wasserstoffmotor, es war alles Kerlox.

Ihr Ansatz erforderte mehrere Maßnahmen, um das beteiligte Raumschiff erheblich leichter zu machen, eine Version von Sojus und ein Lander namens LK, der sich auf einen Kerosin-Sauerstoff-"Crasher" stützte, um den LK von der Umlaufgeschwindigkeit auf etwa einen halben Kilometer über dem Landeplatz zu bringen. - und was noch wichtiger ist, als an Höhe zu verlieren, nahm den größten Teil der Umlaufgeschwindigkeit ab. Somit war der LK selbst im Gegensatz zum amerikanischen LM eine einzige Stufe, im Grunde ein kleineres Analogon des LM-Aufstiegsmoduls mit zusätzlichem Treibstoff für den endgültigen Abstieg, Schweben und Landen. (Es hatte auch einen kompletten Backup-Motor für den Fall, dass sein Hauptmotor ausfiel, mit dem gleichen Schub, aber ohne Drosselfähigkeit, zum Abbruch oder als Backup-Aufstiegsmotor). Die LK konnte nur einen Kosmonauten für einen viel kürzeren Aufenthalt auf der Mondoberfläche aufnehmen,

Unter Verwendung effizienterer gepumpter Kerosin-Sauerstoff-Motoren als die amerikanischen druckgespeisten Hypergolen erforderte der sowjetische Ansatz einen leichteren Stapel, der zum Mond gestartet werden sollte, aber aufgrund der geringeren Effizienz von Kerosin im Vergleich zu Wasserstoff die vierte Stufe, die dazu dienen würde Senden Sie diesen Stapel, um den Mond zu treffen, musste proportional größer sein. Wenn man den Kerosin-Sauerstoff-Block „D“ als fünfte Stufe zählt, war der Versuch, die Mondmission mit einem einzigen Start zu erledigen, sehr marginal, obwohl die fünfstufige Rakete die Saturn V um einen beträchtlichen Vorsprung übertraf. Um zu versuchen, es genug leichter zu machen, um die Mission zu ermöglichen, nahmen sie alle möglichen zweifelhaften Mittel zur Gewichtseinsparung, wie zum Beispiel das Entfernen des größten Teils der Telemetrie. Es wurde nicht erwartet, dass die früheste Version von N-1 mehr als 45 Tonnen in eine erdnahe Umlaufbahn bringen würde. Zwischen dem Hinzufügen von Motoren, Mit etwas Anhebung der Abmessungen und diesen Mitteln zur Gewichtsreduzierung und Treibmittelmaximierung sollten in der mehrfach getesteten Lunar-Version 95 Tonnen in LEO gesteckt werden. Jeder Versuch führte zum Scheitern, und wenn es ihnen gelungen wäre, auf der vierten Stufe einen bemannten Lunar Stack zu bekommen, um ihn auf den Mond zu injizieren, befürchte ich, dass die Kürzung der Ecke früher oder später, wahrscheinlich früher, eine Katastrophe bedeutet hätte.

Wären sie zu einer Strategie mit zwei Starts übergegangen und hätten weniger heldenhafte Anstrengungen unternommen, um die Nutzlast zu maximieren, und sie etwas robuster gemacht, hätten sie meines Erachtens eine Mondlandung mit Spielraum zum Ersparen geschafft - tatsächlich die Flucht- / Überlebensmodi, die die Besatzung ermöglichen trotz größerer Fehlschläge zurückzukehren, wäre Apollo mit einem Zwei-Start-Plan weit überlegen gewesen. Unter dieser Prämisse wurde vor einigen Jahren eine Alternate History Timeline geschrieben, die mir sehr gefallen hat.

Aber ein Blick auf die enorme Größe, die zahlreichen Motoren und die vielen Stufen der gebauten N-1 im Vergleich zu einer viel geringeren Tonnage auf einer niedrigen Mondumlaufbahn verdeutlicht den enormen Vorteil, den die Amerikaner bei der Entwicklung von Wasserstoff-Oberstufen hatten. Mit Kerosin allein wäre es möglich gewesen, größere Wirkungsgrade zu erzielen, als unser Programm mit dieser Brennstoffmischung erzielte – die sowjetischen Kerosin-Pumpmotoren in ihrem N-1/LK-Programm waren alle deutlich effizienter als die besten amerikanischen Kerosinmotoren, wenn auch keine kam dem schieren mächtigen Schub des US-F-1-Triebwerks nahe.

Aber selbst dann hätten die Sowjets oder Amerikaner, die auf die Entwicklung von Wasserstoffmotoren verzichteten, mit deutlich überlegenen ISP-Kerosinmotoren eine viel größere Tonnage von Startrampen starten müssen, um vergleichbare Ergebnisse in Bezug auf eine Mondlandung zu erzielen. Wenn das Ziel lediglich darin bestand, Raumstationen oder ähnliches zu bauen, ist der Kompromiss viel vernünftiger.

Ein Nachteil wasserstoffverbrennender Raketen ist jedoch die Schwierigkeit, den Wasserstoff lange Zeit zu speichern. Im Weltraum ist es gar nicht so schwer, LOX flüssig zu halten und lange zu lagern, aber Wasserstoff verdampft (oder die Tanks explodieren!) Centaur hat bewiesen, dass man genug Treibstoff nach mehreren Tagen zurückbehalten kann, lohnt sich also im Prinzip Der Apollo-Stapel hätte durch eine solche Phase mit einigen Gewichtseinsparungen möglicherweise auf eine niedrige Mondumlaufbahn gebremst werden können, aber das Design wurde in den frühen sechziger Jahren eingefroren, als nur druckgespeiste hypergolische Motoren nach TLI verwendet wurden, und TLI wurde nur wenige Stunden nach Erreichen eingeleitet die Parkbahn.

Der Nachteil des Abdampfens von Wasserstoff ist also kein Problem, wenn man den Wasserstoff verwendet, um etwas in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, oder plant, ihn ziemlich bald danach zu verwenden. Um also zu argumentieren, dass Ker-lox besser wäre als die Verwendung von oberen Wasserstoffstufen, müsste man sich die strukturellen Nachteile der festen Masse, die die Wasserstoffspeicherung mit sich bringt, genau ansehen. Aber mit gutem Design sind diese nicht schrecklich; Schauen Sie sich den STS-Kraftstofftank an, der trocken 36 Tonnen wog, aber ungefähr 750 Tonnen Sauerstoff und Wasserstoff enthielt. Oder die dritte S-IV-Stufe des Saturn V (auch die zweite Stufe von Saturn 1B), die etwa 9 Tonnen trocken einschließlich des Motors wog, aber 120 oder mehr Tonnen Treibstoff enthielt – das sind Trockengewichtsanteile weit unter 1 /10, während nur wenige Ker-Lox- oder hypergolische Stadien, die tatsächlich verwendet wurden, dramatisch niedriger waren.

Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Wasserstoff besteht darin, dass das Verhältnis von Schub zu Triebwerksgewicht ebenfalls unter dem liegt, was eine ähnliche Investition nach dem Stand der Technik mit weniger energetischen, aber kühler brennenden und dichteren Treibmitteln erreichen kann. Das Shuttle SSME hatte im Vergleich zu Kerosin- oder Hypergolmotoren der ersten Generation ein gutes Schub-/Gewichtsverhältnis, aber dies wurde durch heroische und teuer zu entwickelnde, zu bauende und zu wartende Methoden mit extrem hohen Drücken und Temperaturen erreicht. Der Kompromiss zwischen Effizienz und Schub ist der grundlegenden Physik inhärent; um einen schnelleren Auspuff zu bekommen, arbeitet man mit höheren Temperaturen; um einen anständigen Schub gegen den atmosphärischen Druck auf hohem Meeresspiegel zu erhalten, verwendet man hohen Druck; Eine geringere Energie pro Kilogramm Treibmittelmischung verbrennt kühler und tauscht einen höheren Massenstrom gegen eine geringere Leistung bei gleichem Schub aus. Wenn Schub das Ziel ist,

Fazit ist, dass das anfängliche Anheben von der Startrampe, die Aufgabe einer ersten Stufe, eine Aufgabe ist, die durch massiven Schub erreicht wird, und die Vorteile der Verwendung von Wasserstoff sind dort am geringsten, während die Vorteile weniger ehrgeiziger Brennstoffmischungen einfacher sind aber stärkere Motoren sind am besten, insbesondere unter Berücksichtigung der einfacheren Lagerung. Umgekehrt, einmal vom Boden abgehoben, aus der unteren Atmosphäre und auf bescheidene Geschwindigkeiten beschleunigt, die Zeit für schwächere, aber effizientere wasserstoffbasierte Motoren gewinnen, kann eine Umlaufbahn mit viel geringerem Schub mit geringeren Gesamtmassen der oberen Stufe und weniger Stufen erreicht werden . Somit war das Design des Saturn V eine gute Synergie. Beachten Sie, dass die erste Stufe bei weitem massiver ist als alle oberen Stufen - Saturn V hatte ungefähr einen Faktor von 5 Sprüngen zwischen der dritten und der zweiten Stufe. aber die erste Stufe war etwas zwischen dem 3- und 4-fachen der Masse des gesamten oberen Stapels, bestehend aus zwei Stufen und einem 45-Tonnen-Mondstapel, alles zusammen. Um diese enorme Gesamtmasse zu bewegen, waren Motoren erforderlich, die einen enormen Schub erzeugten; Selbst wenn die große Herausforderung, Wasserstoffmotoren zu bauen, die diesen Schub erzeugen könnten, bewältigt worden wäre, hätten die Nachteile der Speicherung großer Mengen Wasserstoff gegenüber kompakten Volumina von Kerosin einen Großteil des Vorteils ausgeglichen, der durch höhere Effizienz und schnellere Abgasgeschwindigkeiten erzielt werden könnte. Sie haben dort eingespart, wo es am wichtigsten war, in der ersten Stufe. Ein gemischter Stapel war trotz der Probleme, mehrere Arten von Treibmitteln anstelle von nur zwei zu handhaben, der bessere Weg. Um diese enorme Gesamtmasse zu bewegen, waren Motoren erforderlich, die einen enormen Schub erzeugten; Selbst wenn die große Herausforderung, Wasserstoffmotoren zu bauen, die diesen Schub erzeugen könnten, bewältigt worden wäre, hätten die Nachteile der Speicherung großer Mengen Wasserstoff gegenüber kompakten Volumina von Kerosin einen Großteil des Vorteils ausgeglichen, der durch höhere Effizienz und schnellere Abgasgeschwindigkeiten erzielt werden könnte. Sie haben dort gespart, wo es am meisten zählte, in der ersten Stufe. Ein gemischter Stapel war trotz der Probleme, mehrere Arten von Treibmitteln anstelle von nur zwei zu handhaben, der bessere Weg. Um diese enorme Gesamtmasse zu bewegen, waren Motoren erforderlich, die einen enormen Schub erzeugten; Selbst wenn die große Herausforderung, Wasserstoffmotoren zu bauen, die diesen Schub erzeugen könnten, bewältigt worden wäre, hätten die Nachteile der Speicherung großer Mengen Wasserstoff gegenüber kompakten Volumina von Kerosin einen Großteil des Vorteils ausgeglichen, der durch höhere Effizienz und schnellere Abgasgeschwindigkeiten erzielt werden könnte. Sie haben dort gespart, wo es am meisten zählte, in der ersten Stufe. Ein gemischter Stapel war trotz der Probleme, mehrere Arten von Treibmitteln anstelle von nur zwei zu handhaben, der bessere Weg. Sie haben dort gespart, wo es am meisten zählte, in der ersten Stufe. Ein gemischter Stapel war trotz der Probleme, mehrere Arten von Treibmitteln anstelle von nur zwei zu handhaben, der bessere Weg. Sie haben dort gespart, wo es am meisten zählte, in der ersten Stufe. Ein gemischter Stapel war trotz der Probleme, mehrere Arten von Treibmitteln anstelle von nur zwei zu handhaben, der bessere Weg.