Wie hätte sich der Saturn V verändert, wenn die erste Stufe auch LH2/LOX gewesen wäre?

Die Anforderungen an die erste Stufe sind, dass sie etwa 3340 m/s Delta V an eine Nutzlast von 690 Tonnen (die oberen Stufen und das Raumschiff) liefert, mit einem anfänglichen Schub-zu-Gewicht-Verhältnis von mindestens 1,16:1.

Der beste Kandidat für einen Wasserstoffmotor der ersten Stufe in der Saturn-Ära wäre der nie fertiggestellte M-1 . Auf Meereshöhe wäre es viel weniger leistungsfähig als die F-1, aber mit besserem spezifischem Impuls - 310 Sekunden gegenüber 263. Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, ist das Ergebnis, dass die erste Stufe 1730 Tonnen LH2/LOX statt 2160 Tonnen Kerosin/LOX befördert. Abhängig von den genauen verwendeten Mischungsverhältnissen ist Kerosin/LOX jedoch etwa 3,5-mal dichter als LH2/LOX, sodass die Stufe selbst mit weniger Kraftstoffmasse viel größer werden muss. Wenn der Durchmesser von 10 Metern beibehalten wird, wird die Bühne von 42 m auf 92 m gestreckt – eine sehr lange und schmale Bühne. Sinnvoller wäre eine erste Stufe mit 12 Metern Durchmesser und 63 Metern Länge. Die Gesamtrakete, all-up für eine Apollo-J-Mission, wiegt 2593 Tonnen statt 2970 Tonnen. Es könnte etwa so aussehen:

Die Drag-Strafe wäre nicht besonders streng. Etwa 50 m/s des Gesamtpotentials der Saturn V gehen durch Luftwiderstand verloren; Die Stufe mit größerem Durchmesser würde wahrscheinlich einen weiteren Treffer von ~ 25 m / s verursachen, aber ich möchte nicht zurückgehen und neu berechnen.

Um die anfängliche TWR-Anforderung zu erreichen, werden 8 M-1 benötigt, was ein TWR von 1,21:1 ergibt. Wenn die Kraftstoffmasse verbraucht und der spezifische Impuls (und damit der Schub) erhöht wurden, würden wahrscheinlich 2 oder 4 von ihnen im Verlauf der Verbrennung abgeschaltet, um die Beschleunigung für den Komfort der Besatzung zu begrenzen, während der Rest weiterlief, bis der Kraftstoff ausgegangen war. Die Beschleunigungs-Zeit-Kurven sind für Motoren mit höherem Isp flacher, so dass wir möglicherweise einen weniger effizienten Aufstieg haben als der Saturn V. Das Abschalten des Motors könnte daher verzögert werden, um etwas Geschwindigkeit auszugleichen; Dies könnte eine höhere Spitzenbeschleunigung als Saturn V bedeuten.

Der gesamte von der Rakete transportierte Wasserstoff wäre etwa 4x so groß wie der der Saturn V; vermutlich würde das den Bodenspeicherbedarf vervierfachen.

Denken Sie daran, dass diese Rakete, obwohl sie insgesamt weniger Masse hat, aufgrund der Konstruktion der ersten Stufe und der Transportlogistik, der Triebwerkskomplexität und der Wasserstoffhandhabung wahrscheinlich viel mehr kostet und auf dieser Grundlage der Saturn V etwas unterlegen ist.

Eine andere Möglichkeit wäre die Verwendung von 16x SSME statt 8x M-1. Dies hätte wahrscheinlich bis in die 1980er Jahre nicht geflogen sein können, aber der meeresspiegelspezifische Impuls ist viel besser, 366 statt 310. Dies würde die Kraftstoffmasse der ersten Stufe weiter reduzieren, aber wahrscheinlich eine Menge Kosten verursachen – das gesamte Shuttle-Programm baute nur 42 dieser Motoren.