Warum kann Falcon Heavy 4,2-mal so viel Masse zum Mars bringen als F9, aber nur 2,7-mal so viel zu LEO?

Die Endstufe einer Rakete muss nicht nur die Nutzlast, sondern auch sich selbst anheben. Betrachten wir also nicht nur die Nutzlastmasse, sondern die Gesamtmasse, die in die endgültige Umlaufbahn gehoben wird.

Laut http://www.spaceflightinsider.com/hangar/falcon/ beträgt die Leermasse der zweiten Stufe 3.900 kg. Lassen Sie uns hinzufügen, dass die Zahlen in der Tabelle.

Wenn wir die Masse der Endstufe zu den Zahlen in Ihrer Tabelle addieren, erhalten wir.

Payload + 2nd stage Falcon Heavy   Falcon 9    Ratio
LEO (28,5°)          67.700 kg   26,700 kg    2.54
GTO (27°)            30,600 kg   12,200 kg    2.50
Mars                 20,700 kg    7,920 kg    2.61

Nahezu gleich.

Wenn alles andere gleich ist (z. B. Treibmittelwahl), bevorzugen Flugbahnen mit höherer Energie eine Rakete mit mehr Stufen.

Ein Gedankenexperiment, das Ihnen helfen kann, dies zu verstehen, besteht darin, zwei Missionen zu betrachten, die mit identischen Raketen gestartet wurden, die erste zu LEO und die zweite zu einer interplanetaren Flugbahn. Beide Missionen haben Nutzlasten, die so bemessen sind, dass sie die Kapazität der Trägerrakete „ausschöpfen“. Offensichtlich muss die zweite Nutzlast viel leichter sein als die erste, aber beachten Sie, dass die zweite Nutzlast daher einen viel kleineren Bruchteil der Trockenmasse der oberen Stufe ausmacht. Denken Sie daran, dass die Oberstufe auf der gleichen Flugbahn wie die Nutzlast landen muss, sodass die zweite Mission weniger „effizient“ ist, da die meiste Arbeit der Oberstufe nur darin besteht, ihre eigene Masse und nicht die Nutzlast zu beschleunigen.

Wenn Sie auf die gleiche Gesamtfahrzeugmasse beschränkt wären, wären Sie mit einer kleineren zweiten Stufe und dem Hinzufügen einer dritten Stufe besser dran. Auf diese Weise wird die Masse der Oberstufe besser an die Masse der Nutzlast angepasst, sodass weniger Arbeit verschwendet wird. Es ist fast wie eine impedanzangepasste Leistungsübertragung .

Wie hängt das mit dem Falcon Heavy zusammen? Im Wesentlichen macht das Hinzufügen der zusätzlichen Booster das System zu einer 3-Stufen-Rakete. Der mittlere Kern wird während des Fluges der ersten Stufe gedrosselt, sodass noch ziemlich viel Treibstoff übrig ist, wenn sich die seitlichen Booster entleeren und trennen. Der mittlere Kern brennt noch eine Weile (effektiv 2. Stufenflug, weil Sie die tote Masse der leeren Seitentriebwerke weggeworfen haben), dann trennt er sich auch und die obere Stufe übernimmt. Das bedeutet, dass die Oberstufe des Heavy im Vergleich zur Oberstufe des F9 für einen geringeren Anteil der abgegebenen Gesamtenergie (oder der hinzugefügten Geschwindigkeit) verantwortlich ist. Aus den zuvor beschriebenen Gründen ist der Heavy als Fahrzeug also effizienter darin, Nutzlasten auf Flugbahnen mit hoher Energie zu bringen als der F9.

Sich einmal im Orbit zu bewegen ist viel einfacher, als etwas in den Orbit zu bringen. Das einzige Problem dabei ist, zuerst entweder eine andere Stufe oder sogar nur eine größere Stufe in die Umlaufbahn zu bringen, damit die Treibstoffmengen zum Mars gelangen können. Die zusätzlichen 40 Tonnen für LEO der Falcon Heavy ermöglichen es, diese zusätzliche Stufe / größere Stufe in die Umlaufbahn zu bringen, mit der sie dann zum Mars gelangen kann. Damit die Falcon 9 etwas zum Mars bringt, würde sie auch diese zusätzliche/größere Stufe benötigen, um in die Umlaufbahn zu gelangen, aber die Hubfähigkeit von nur 9 Merlin-Triebwerken würde zu einem äußerst ineffizienten Start in die Umlaufbahn führen, da die erste Stufe so viel zusätzlichen Treibstoff verbraucht um die extra/größere Stufe in die Umlaufbahn zu bringen. Dies würde dazu führen, dass die zusätzliche / größere Stufe mehr eigenen Treibstoff verbraucht, um in die Umlaufbahn zu gelangen, und daher weniger Nettokraft übrig wäre, um die Nutzlast zum Mars zu drücken.