Wie verändert sich die Masse von Trägerraketen im Laufe der Zeit zwischen Boden und Umlaufbahn?

Ich würde gerne einen Vergleich zwischen verschiedenen Trägerraketen sehen, wie schnell ihre Masse im Laufe der Zeit (oder Höhe oder Geschwindigkeit) abnimmt. Es gibt Unterschiede in der Gesamtgrößenklasse, dem Treibmitteltyp, der Anzahl und Größe der Festbrennstoff-Booster, den gemeinsamen Kernen, der Brenndauer der ersten Stufe und sicherlich mehr. Es wäre interessant, etwas darüber zu erfahren, wie sich aktuelle und historische Trägerraketen darin unterscheiden, Masse im Laufe der Zeit loszuwerden.

Meinst du nur ein Schleppnetz durch Wikipedia, das die Treibstoffladungen der Stufen durch ihre Brennzeiten teilt? (zB Saturn 5, Stufe 1 ist ungefähr 2000 Tonnen in 160 Sekunden oder so)?
Was meinst du mit "die Masse des Werfers"? Meinst du wie schnell Sprit verbraucht wird? Wie frühe Stadien werden getrennt? Wann wird die Verkleidung entsorgt? Die Summe von allem?
@Andy Was mich wirklich interessiert, ist, wie verschiedene Launcher-Designphilosophien in dieser Hinsicht verglichen werden. Wie schnell Masse (Treibstoff und ausgestoßene Stufen) Ergebnisse in Bezug auf Höhe und Geschwindigkeit liefern. Zu welchen Startprofilen verschiedene Designentscheidungen führen. Ich möchte nicht, dass Sie Ihre Zeit verschwenden, indem Sie per se bestimmte Wiki-Nummern durchpflügen.
@Rikki-Tikki-Tavi Im Idealfall würde ich gerne wissen, wie die verbleibende Masse der Trägerraketen in den wenigen Minuten abnimmt, die sie benötigen, um die Umlaufbahn zu erreichen. Wenn es zwischen den Typen erheblich variiert.
Das ist ein guter Punkt über Designphilosophien. Zum Beispiel verwendete die erste Stufe des Saturn 5 RP-1-Kraftstoff trotz seines geringeren Wirkungsgrads (geringerer spezifischer Impuls), entweder um das Gesamtvolumen niedrig zu halten oder nur um einen angemessenen Schub vom Pad zu erhalten. Seine oberen Stufen nutzen effizienteren Wasserstoff, weil sie bereits in der Luft wären, wenn sie an der Reihe wären. (Ich habe leider gerade keine Referenz dafür - nur etwas, was ich irgendwo gelesen habe ...)
@Andy, der Grund ist, dass die Raketengleichung erst dann wirklich ihre Zähne zeigt, wenn Sie größere Mengen Delta-v wollen. Für die erste Stufe macht Wasserstoff oder Kerosin keinen so großen Unterschied.
Die Antwort wäre einfach der gesamte Treibmittelmassenstrom ... weshalb ich denke, dass potenzielle Antwortende sich darüber am Kopf kratzen. Zum Beispiel STS verwendet, in runden Zahlen 3000 lb/sec in der 2. Stufe.

Antworten (1)

In fast allen Fällen nähert sich die Gesamtmasse-gegen-Zeit-Kurve für eine mehrstufige Trägerrakete einer exponentiellen Abklingkurve an; das ist die Natur der Raketengleichung.

Wenn alle Triebwerke der Stufe innerhalb jeder Stufe mit einer kontinuierlichen Gaseinstellung zünden, ist der Massenabfall über diesen Teil des Fluges linear. Viele Trägerraketen drosseln im Laufe des Brennens einer Stufe, um die g-Ladung zu kontrollieren, wodurch sich der Massenabfall der exponentiellen Zerfallskurve nähert.

Hier ist ein Simulationsergebnis für den Saturn V mit Apollo-Nutzlast:

Saturnmasse versus Zeit

Jede Stufe ist im Allgemeinen linear, obwohl es gegen Ende des Laufs der ersten Stufe einen leichten Knick gibt, wenn der Mittelmotor abschaltet, um die G-Last zu begrenzen, und zwei Knicke gegen Ende des Laufs der zweiten Stufe für die Abschaltung des Mittelmotors und die Treibmittelmischung Übersetzungswechsel. Die vertikalen Sprünge in der Darstellung sind die Stage-Drop-Ereignisse.

Hier sind einige modernere Beispiele: Falcon 9, Delta IV Medium (4,2), Vega und Proton M. Für F9 und D4 habe ich abrupte Gasrückgänge simuliert, sodass die Kurven der Bühnenmasse geknickt sind. Dies gilt für das Delta, aber möglicherweise nicht für den Falcon; Wenn der Motor allmählich herunterdrosselt, wäre die Stufenmassenkurve glatt, aber die Gesamtform wäre im Wesentlichen gleich. Die ersten drei Stufen von Vega sind Feststoffe mit schwachem spezifischem Impuls, daher ist seine Massenkurve um einiges tiefer als die der anderen.

Masse-gegen-Zeit-Kurven

Individuelle Designentscheidungen für Trägerraketen scheinen mehr Variationen in der genauen Form der Kurve zu berücksichtigen als historische Trends.

Allerdings neigen moderne Trägerraketen dazu, Oberstufen mit sehr geringem Schub zu verwenden (Falcon 9 ist ein kleiner Ausreißer), sodass ihre Kurven am Anfang etwas steiler und am Ende flacher werden. Ariane 5 ES ist ein Musterbeispiel für den Trend:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Atlas LV-3B, der für die Mercury-Orbitalflüge verwendet wird, ist das Gegenteil dieses Trends, mit durchgehend hoher Beschleunigung und einer sehr kurzen Umlaufzeit; seine Massenkurve ist etwas flacher, aber nicht dramatisch:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Gute Antwort! Nochmal. Sie sagen, dass die Knicke in den Kurven durch Drosselung verursacht werden. Aber was ist mit der Massenreduzierung durch das Auswerfen der leeren Booster oder Stufen? Und selbst wenn keine Daten verfügbar sind, wie lassen sich diese Masse-Zeit-Profile qualitativ mit Proton vergleichen, das (glaube ich) seine erste Stufe früher trennt? Und nur mit soliden ersten Stufen, wie ICBMs oder Indiens PSLV.
Oder der Teststart von Ares I mit einer Festbrennstoff-Erststufe.
Die vertikalen Sprünge sind Stage Drops; Die leichteren Biegungen sind die Drosselklappen. Ich werde das Saturn-V-Diagramm mit Anmerkungen versehen, da dort am meisten los ist, und ich werde Proton und einen Solid-basierten Launcher ausprobieren und sehen, ob die Diagramme interessant sind.
Die frühe Trennung der ersten Stufe von Proton ist auf sein 3STO-Design zurückzuführen. Es ist tatsächlich das nächste meiner Beispiele an einem "idealen" exponentiellen Abfall.
Vegas ist interessant.
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