Wie groß ist ein externer Tank, um die Shuttle-SRBs durch mehr LH2 und LO2 zu ersetzen?

Das Space Shuttle stieg mit zwei Antriebsarten auf: (1) flüssiger Wasserstoff und Sauerstoff, die im externen Tank gespeichert und in den Haupttriebwerken des Orbiters verbrannt wurden, und (2) die Feststoffraketen-Booster.

Wie in dieser Antwort erwähnt , hat LH2/LO2 viele theoretische Vorteile: hoher spezifischer Impuls (daher ein höheres Delta v), hohes Schub-Gewichts-Verhältnis und geringe Abgasmasse.

Angenommen, wir haben den Shuttle-Stack neu gestaltet, um die SRBs zu entfernen und den externen Tank zu erweitern, sodass der gesamte Antrieb von LH2 / LO2 erfolgte. Das würde sicherlich Gewicht sparen. Doch wie viel Volumen würde der neue Außentank einnehmen?

Wenn Ihre Antwort davon abhängt, die Anzahl der Hauptmotoren zu erhöhen, geben Sie bitte Ihre Annahmen in Ihrer Antwort an (*1). Außerdem ersetzen wir nur den Antrieb für den Aufstieg ; OMS und RCS sollen unverändert bleiben.

Bonus: Ich vermute, dass ein solches Shuttle nicht mehr in das Fahrzeugmontagegebäude passen würde. Vergleichen Sie Ihre Lautstärke mit der des VAB oder einer anderen Struktur/Gebäude, die einer durchschnittlichen Person bekannt ist. Hier sind ein paar, die Sie verwenden könnten:

Auch verwandt: Wie hätte sich der Saturn V unterschieden, wenn die erste Stufe auch LH2/LOX gewesen wäre?

Klärung

Ich hätte mit Satz (*1) klarer sein sollen. Das Raumschiff wird sicherlich nicht nur mit den 3 SSMEs abheben. Um zu funktionieren, müssen entweder mehr Engines oder verschiedene Engines (oder beides) vorhanden sein. Der Tank müsste neu gestaltet werden und wahrscheinlich auch der Orbiter. Ich überlasse es der Person, die antwortet, zu entscheiden, wie viel sie sich die Mühe machen möchte, eine Schätzung vorzunehmen. Bitte geben Sie jedoch Ihre Annahmen in Ihre Antwort ein.

Vergleichen Sie SSME- und SRB-Schub ... oder schauen Sie sich Buran / Energia an. Wenn Sie am Shuttle selbst wenig ändern möchten, müssen Sie den externen Tank in eine ziemlich starke Rakete verwandeln.
Oder einfach nur SSME und Merlin 1D T/W. Der SSME bekommt 73,1, der Merlin 1D bekommt 179,8 (Stand: letzte verfügbare Zahlen). LOX/LH2-Systeme haben relativ niedrige T/W-Verhältnisse aufgrund geringerer Massendurchflussraten (aufgrund der geringen Dichte von LH2), weshalb sie fast immer Booster verwenden.
Wenn Sie die SRBs entfernen und den externen Tank erweitern, könnte das Shuttle nicht abheben. Der Schub der 3 Flüssigtreibstoffmotoren ist viel zu gering. Aber für weitere Motoren ist kein Platz mehr. Ein ganz anderes Shuttle wird benötigt, um mehr Motoren zu montieren. Vergleichen Sie einfach den Schub der SRBs mit dem von kryogenen Triebwerken.
@ChristopherJamesHuff T/W des Motors spielt wirklich keine große Rolle; T/W der geladenen Bühne ist kritisch. Sie können Wasserstoff auf der ersten Stufe ohne feste Booster verwenden (z. B. Delta IV Heavy); es ist einfach sperrig und teuer.
@RussellBorogove: Ich habe nicht gesagt, dass dies nicht möglich ist, aber Tatsache ist, dass mit LH2 betriebene Fahrzeuge fast immer Booster verwenden, um ihren schlechten Schub auszugleichen. „Hohes Schub-Gewichts-Verhältnis“ ist einfach kein Vorteil von flüssigem Wasserstoffbrennstoff, es ist einer der Faktoren, die das LH2-Design zugunsten eines höheren spezifischen Impulses eingeht.

Antworten (1)

Alle Zahlen stammen aus Wikipedia, sofern nicht anders angegeben.

Die Masse des Shuttle-Orbiters beim Start beträgt also rund 109 Tonnen. Die Trockenmasse des externen Tanks beträgt 26,5 Tonnen und enthält etwa 735 Tonnen Brennstoff und Oxidationsmittel.

Nehmen wir also (sehr) optimistisch an, dass das Quadratwürfelgesetz perfekt funktioniert und wir den Tank um einen Faktor von vergrößern können s Erhöhung der Kapazität im Einklang mit s 3 und die Tankmasse im Einklang mit s 2 .

Jetzt hat ein Space-Shuttle-Hauptmotor einen ich s p von 452 Sekunden im Vakuum. Um also das minimale Delta-V zur niedrigen Erdumlaufbahn von etwa 9,4 zu erreichen k m / s die Raketengleichung

Δ v = g ich s p ln ⁡ m 0 m f
sagt uns, wir brauchen ein Massenverhältnis von mindestens 8.3 .

Unter unseren sehr optimistischen Annahmen ist das Massenverhältnis

1 + 735 ∗ s 3 26 ∗ s 2 + 109
und das entspricht tatsächlich 8,3 wenn s = 1.12 was darauf hindeutet, dass nur eine kleine Skalierung ausreichen würde. Eine solche Skalierung ergibt eine Abhebemasse von knapp 1200 Tonnen.

Der Schub auf Meereshöhe eines Space-Shuttle-Haupttriebwerks beträgt jedoch nur 1,8 MN, sodass wir mindestens 7 davon benötigen, um diesen Stapel tatsächlich von der Platte zu heben, wahrscheinlich 8 oder 9, wenn wir überhaupt eine signifikante Beschleunigung wünschen. Das fügt mindestens 20 Tonnen Masse hinzu, nur für die Triebwerke, wobei die notwendige Vergrößerung des Orbiters, die zusätzliche tragende Struktur usw. außer Acht gelassen werden. Ein erneuter Start mit den zusätzlichen 20 Tonnen bringt uns s von 1,18, was die Gesamtstartmasse auf fast 1400 Tonnen erhöht und noch mehr Motoren erfordert.

Wenn wir einen Schub zum Gewicht von 1,25 beim Abheben wollen, mit n Engnes können wir eigentlich sagen, dass wir brauchen werden

180 n = 1.25 ∗ ( 735 s 3 + 26.5 s 2 + 97 + 4 n )
und wir wissen bereits, dass wir brauchen

7.3 = 735 s 3 / ( 36.5 s 2 + 97 + 4 n )

Die hat eine Lösung mit 12 Motoren und s etwa 1,25. Also haben wir irgendwo 9 weitere Motoren in das Shuttle gestopft und den Tank um etwa 25 % in jede Richtung vergrößert (wobei sich Volumen und Masse fast verdoppelt haben). Zu diesem Zeitpunkt erscheint unsere Annahme, dass die Orbiterstruktur und die Strukturen, die sie mit dem Panzer verbinden, nicht an Masse zugenommen haben, etwas zweifelhaft.

Wir haben auch nicht berücksichtigt, dass die ich s p eines Space-Shuttle-Haupttriebwerks ist auf Meereshöhe viel niedriger (366 gegenüber 452 im Vakuum), daher brauchen wir wahrscheinlich ein noch höheres Massenverhältnis, insbesondere wenn unser Schub-zu-Gewicht-Verhältnis beim Start nicht viel über 1 liegt (da wir ausgeben werden länger in dicker Luft).

Unterm Strich wird das wohl nie funktionieren. Wasserstoff ist ein großartiger Brennstoff, sobald Sie vom Boden und im Vakuum sind, aber für die erste Phase des Starts ist er nicht so gut.

...was die Frage aufwirft, ob RP-1/LOX-Booster anstelle der SRBs machbar sind und ob SRBs einen rein technologischen/Kostenvorteil hatten oder ob SRBs ausgewählt wurden, weil sie dazu beigetragen haben, Thiokol im Booster-Geschäft zu halten.
@Steve: Wenn ich Ihre Antwort richtig verstehe, wäre das Volumen 1,25 ^ 3 = 1,95-mal so hoch wie es tatsächlich war. Könnten Sie das Ihrer Antwort hinzufügen?
@AnthonyX: Interessante Idee, besonders wenn man die gleichen Motoren verwenden und einfach den Kraftstoff von RP-1 auf LH2 umstellen könnte. Dies würde 3 Tanks (RP-1, LH2, LOX) und wahrscheinlich ein erneutes Zünden der Motoren erfordern. Hmmm.
@AnthonyX Es gab eine Reihe von Vorschlägen, die SRBs durch flüssige Booster zu ersetzen. Einige waren sogar Flyback-Booster. Man kam in den 90er Jahren so weit, dass wir gebeten wurden, allgemeine Schätzungen der Auswirkungen ihrer Modellierung in den Trainingssimulatoren abzugeben, aber es kam nie etwas dabei heraus.
@AnthonyX Der Schub eines der SRBs war ungefähr derselbe wie bei einem Paar der F-1-Kerosinmotoren, wie sie beim Saturn V verwendet wurden. Solche Booster wären machbar gewesen, aber ich denke, die SRBs waren sowohl in der Entwicklung als auch in der Produktion billiger. Die späteren Vorschläge, die von Organic Marble erwähnt wurden, gingen von der Verwendung eines höherspezifischen Kerosinmotors mit gestufter Verbrennung wie RD-180 aus.
Schlussfolgerungen: Das ultimative Problem ist nicht das Volumen: Es wird etwa doppelt so viel benötigt, und der gesamte Stapel würde immer noch in das VAB passen. Sie würden entweder eine verrückte Anzahl von Triebwerken (12 SSMEs), Triebwerke, die nicht für LH2 (F1) ausgelegt sind, oder Triebwerke benötigen, die in der Shuttle-Ära (Merlin) nicht verfügbar waren. Trotz der zusätzlichen Komplexität erfordert die Verwendung eines anderen Kraftstoffs in der unteren Atmosphäre (RP-1/Kerosin) insgesamt weniger Motoren.
Wie groß ist ein externer Tank, um die Shuttle-SRBs durch mehr LH2 und LO2 zu ersetzen?
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