Wie groß könnte eine Rakete werden?

Was passiert, wenn wir eine große Rakete für alle Durchmesser und Höhen um den Skalierungsfaktor zwei vergrößern? Alle Flächen werden um den Faktor vier und alle Volumina und Gewichte um den Faktor acht zunehmen. Für die achtfache Masse brauchen wir den achtfachen Schub. Aber wenn wir die gleichen zuverlässigen Raketenmotoren wie zuvor nehmen und keine größeren Motoren bauen, testen und debuggen, benötigen wir 8-mal mehr Motoren als zuvor. Für einen Supersize-Saturn V brauchen wir nicht 5, sondern 40 Motoren. Aber wir haben nur den doppelten Durchmesser der Rakete und die 4-fache Fläche und dürfen statt der benötigten 40 Triebwerke nur 20 Triebwerke montieren.

Also bauen wir neue Motoren mit doppeltem Durchmesser und doppelter Höhe und montieren 5 solcher Motoren. Der Massenstrom durch die Rohre, Ventile und Düsen erhöht sich um den Faktor 4, ebenso wie die Flächen. Der Brennkammerdruck bleibt gleich. Aber mit 5 Triebwerken mit vierfachem Schub können wir nicht abheben, wir brauchen 10 Triebwerke mit vierfachem Schub. Dafür brauchen wir neue Motoren mit doppeltem Durchmesser und achtfachem Schub. Wir brauchen stärkere Turbopumpen, um den achtfachen Massenstrom durch Rohre mit doppeltem Durchmesser zu bekommen.

Wenn wir den 8-fachen Schub für einen Motor mit demselben Brennkammerdruck wollen, müssen wir den Motordurchmesser um den Faktor 2,828 (die Quadratwurzel aus 8) vergrößern, den gleichen Skalierungsfaktor für alle Rohr- und Ventildurchmesser.

Was ist mit der parallelen Inszenierung, wie sie von der von uhoh erwähnten Sojus verwendet wird? Ein Sojus-Träger hatte einen Durchmesser von etwa 2,7 m und eine Höhe von 19,6 m und verwendete vier Raketentriebwerke. Wenn wir 64 dieser Booster in einem Quadrat von 8 mal 8 bündeln, sind die Kanten dieses Quadrats 21,6 m lang, das ist mehr als die Höhe von 19,6 m. Die Gesamtzahl der Triebwerke beträgt 256. Ich glaube nicht, dass ein Bündel von 64 Boostern erfolgreich montiert, zur Startrampe transportiert, betankt und gestartet werden könnte.

Der nächste Schritt wäre ein Bündel von 16 mal 16 Boostern, also 256 Boostern und 1024 Motoren, 43,2 m breit (horizontal). Natürlich haben diese Bündel einen übermäßigen atmosphärischen Luftwiderstand und sind nicht sinnvoll.

Wir können also nicht gewinnen, indem wir eine große Anzahl von Motoren mit der gleichen Größe verwenden, es hilft nicht, alle Abmessungen eines vorhandenen Motors zu verdoppeln. Die Verwendung von Motoren mit einem Durchmesser von 2,828 erfordert eine Rakete mit doppelter Höhe und doppeltem Durchmesser, aber 2,828 Durchmesser des unteren Endes, um die Motoren zu montieren.

Die Saturn V war 110 m hoch und hatte einen Durchmesser von 10 m. Wenn wir die Saturn V um den Faktor 2 vergrößern, brauchen wir am unteren Ende 28,2 m Durchmesser. Das Verhältnis zwischen Höhe und maximalem Durchmesser betrug bei der ursprünglichen Größe 11 und beträgt jetzt 7,77. Was passiert mit diesem Verhältnis, wenn wir die Größe mehrmals verdoppeln? Nach zwei Schritten beträgt das Verhältnis 5,5, nach 4 Schritten 2,75 und nach 8 Schritten beträgt das Verhältnis nur noch 0,6875. Der Durchmesser der Rakete an den Triebwerken ist jetzt größer als die Höhe der Rakete. Diese riesige Rakete wäre nicht nur hässlich, der Luftwiderstand wäre viel zu hoch. Eine Beschleunigung auf hohe Geschwindigkeit wäre in der Atmosphäre unmöglich.

In Anbetracht dessen, dass praktische Einschränkungen die Frage sind, nicht physische Einschränkungen, scheint die schwerwiegendste der Mangel an großen Nutzlasten zu sein.

Während viele superschwere Trägerraketen konzipiert, entworfen oder sogar gebaut wurden , setzt letztendlich eine Grenze, dass niemand so große Nutzlasten benötigt.

Der Ehrgeiz und das Budget, Menschen auf dem Mond zu landen, verursachten eine vorübergehende Nachfrage nach großen Raketen, aber so ziemlich jede andere Nutzung des Weltraums kann gut bedient werden, indem man ein paar Kameras, Computer und Sonnenkollektoren in ein Paket schnallt, das höchstens ein paar Tonnen wiegt . Selbst die bemannte Raumfahrt braucht nicht mehr als Kapseln und modulare Habitate.

Es besteht also keine Nachfrage nach größeren Raketen als den bereits gebauten. Das ist eine entscheidende praktische Einschränkung.

Nun, es gibt keine theoretische Grenze, es wird nur immer schwieriger. Ich bezweifle, dass wir viel größer als ein Raumschiff werden können, ohne die Zerstörung der Startrampe zu riskieren. Es gibt meeresbasierte Designs wie den Seedrachen, die das umgehen können, und sie sind wahnsinnig massiv. Irgendwann haben wir einfach nicht die Infrastruktur und die Fertigungskapazitäten, um größer zu bauen, aber das kann bei genügend Wunsch erweitert werden. Auch wenn Sie groß genug werden, wird das Quadratwürfelgesetz nicht so gut, da Sie die Rakete stark abstützen müssten, um sicherzustellen, dass sie nicht in sich selbst zusammenbricht. Es gibt auch das Problem, dass nichts denkbar wäre, wofür Sie es verwenden würden. Ich meine, was macht man zum Beispiel mit 10 000 Tonnen Nutzlast? Wenn ich etwas im Bereich von x10 schätzen müsste, wäre die Leistungsfähigkeit des Seedrachens die obere Grenze von allem, was unter der aktuellen Technologie denkbar nützlich ist.