Kann eine solide erste Stufe mit einer flüssig betriebenen ersten Stufe mithalten?

Feststoffraketen sind billiger und einfacher zu warten. Sie haben auch eine schnellere Bearbeitungszeit und werden häufig für Raketen als solche verwendet. Sie gelten als sicherer und haben insgesamt viele Vorteile.

Wie Sie bereits sagten, haben sie einige erhebliche Nachteile, nämlich einen schlechten ISP und weniger Flexibilität. Ich glaube, Sie könnten einige Raketen herstellen, die funktionieren würden, aber fast alle ernsthaften Raketenstarts sind aufgrund der erhöhten Leistung flüssig. Feststoffe werden für einige spezielle Umstände aufbewahrt oder um beim Start einen leichten Schub zu geben, wo sie den Start eines Fahrzeugs erheblich unterstützen können.

Unterm Strich lohnt es sich, Solid-Raketen zu untersuchen, um festzustellen, ob sie immer noch die erforderliche Leistung erbringen, aber Flüssigkeiten insgesamt liefern Ihnen mit größerer Wahrscheinlichkeit die gewünschte Leistung.

Dies hängt alles von den Gründen des Wettbewerbs ab, ob es sich um die Entwicklungs- oder Betriebskosten der Trägerrakete, die Systemsicherheit oder einfach nur um die Leistung handelt.

Oft wird zitiert, dass feste Booster einfacher zu entwickeln und zu fliegen sind, da sie keine Rohrleitungssysteme benötigen und „Tanks“ nicht von Motoren trennen. Flüssigtreibstoffstufen werden wahrscheinlich komplexere Motoren aufweisen – in vielen Fällen mehr als eine Kammer – und müssen möglicherweise auch die Probleme der kryogenen Lagerung berücksichtigen. Dies wird möglicherweise durch druckgespeiste Flüssigbrennstoffdesigns (wie Sea Dragon) gemildert. Mit Durchbrüchen von kommerziellen Unternehmen könnte die Wiederverwendbarkeit es auch bald ermöglichen, dass Flüssigkeitsstufen einfach nachgefüllt und geflogen werden. SRBs müssen ihren Treibstoff in einem langwierigen Prozess mit einigen Demontagen neu gießen, wenn sie wieder fliegen sollen.

Die Systemsicherheit ist im Flug jedermanns Sache, obwohl es scheint, dass flüssige Kraftstoffe aufgrund ihrer Fähigkeit, den Antrieb in einem Abbruchszenario abzuschalten, stärker zu beeinflussen scheinen. Festbrennstoffmotoren können nicht drosseln (aber Schubprofile können vor dem Start angepasst werden) und können nicht abgeschaltet werden. Wir müssen uns jedoch daran erinnern, dass die erhöhte Komplexität vieler aktueller Flüssigbrennstoffwerfer die Möglichkeit von viel mehr potenziellen Fehlermodi bietet.

Aber ich sehe häufig, dass sich die Analyse der Sicherheit nur auf Gefahren während des Fluges erstreckt. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass eine Rakete lange am Boden vorbereitet wird, während sie auf den Start wartet, und hier verlieren Festbrennstoffmotoren. Ein Motorgehäuse muss lange vor dem Start mit dem Treibmittel vergossen werden, und dies schließt auch während der Fahrzeugmontage ein. Als solche werden Arbeiter in die Präsenz von Live-Bühnen versetzt (denken Sie an Shuttle im VAB). Flüssigbrennstoff muss nur kurz vor dem Start auf dem Pad betankt werden.

Die Leistung ist zum größten Teil das Spiel des flüssigen Kraftstoffs mit seinem im Allgemeinen viel höheren spezifischen Impuls. Der Kampf um Isp ist jedoch während des ersten Teils des Aufstiegs nicht am wichtigsten. Aus der Lektüre von Artikeln über vorgeschlagene Shuttle-Flüssigkeits-Booster-Programme geht hervor, dass hier die „Impulsdichte“ gewinnt. Anstatt nur die Abgasgeschwindigkeit, muss ein Motor dies mit der Reaktionsmasse kombinieren, um optimale Werte zu erzielen (oder so ähnlich - wo ist das Papier überhaupt!?). re suchen, und SRBs haben alles da - dichtes Treibmittel und massive Verbrennungsraten. Dies gilt auch für viele Flüssigkeitsraketenstufen - die schwere Startmasse und der geringe spezifische Impuls der ersten Stufe der Saturn V waren weniger ein Problem, weil es in Kombination mit seinem massiven Schub Delta-V gegen Schwerkraft- und Luftwiderstandsverluste erzeugen könnte. Es sind diese Verluste, die letztendlich das Design der unteren Stufen bestimmen.

Über die von Ihnen aufgelisteten Raketen - das Shuttle, Ariane 5 und Titan IV. Fällt Ihnen eine Ähnlichkeit zwischen ihren Designs auf?

Alle drei verfügen über zwei SRBs um eine leistungsstarke und lang brennende Flüssigbrennstoff-Kernstufe. Die soliden Booster liefern den größten Teil des Schubs beim Abheben und trennen sich dann nach einem kurzen Brennen, während der Kern die meiste Arbeit beim Erreichen der Umlaufgeschwindigkeit leistet. Das macht den Kern zu einem sogenannten „Sustainer“. Im Grunde ist es das, was eine zweistufige Rakete aus einem anderthalbstufigen verstärkten Design macht (Titans erste Stufe ist vielleicht weniger dafür geeignet, aber ihr Kern ist keine LH2-Stufe und weniger effizient als die andere - hat also mehr Oberstufen). Die erste Stufe sind demnach die beiden soliden Booster UND der Kern zusammen. Die zweite Stufe ist derselbe Kern, ohne Booster. Der Kern besteht aus einem Triebwerk mit hohem Isp, aber geringerer Schubkraft und Treibstoffmasse, großartig für eine Oberstufe, aber nicht für eine Premiere. Die Booster verfügen über einen niedrigen Isp, aber massive Schub- und Treibstoffkapazität - also heben die Booster, wenn sie kombiniert werden, den Kern und den Treibstoff durch atmosphärischen Widerstand an, während der Kern den Gesamt-Isp des ersten Teils des Aufstiegs leicht erhöht. Es ist, als hätte man eine normale erste Stufe, die etwas effizienter ist als die Booster selbst.

Lange Antwort kurz: Feststoffe sollten nicht konkurrieren müssen - sie sind am besten, wenn sie mit Flüssigkeiten arbeiten, nicht alleine.

Nur kein Gefummel, wenn das Ding am Boden liegt...

Al.

(Übrigens, das Zeug mit der „Impulsdichte“ ist mir im Moment entgangen. Ich hoffe, es ist richtig, aber wenn nicht, verzeihen Sie bitte meine Vergesslichkeit!)

Noch ein paar Gründe gegen Feststoffraketen:

1. Sie sind schwer zu kontrollieren, wenn sie einmal entzündet sind. Meines Wissens ist es sehr schwierig bis unmöglich, sie zu drosseln, herunterzufahren oder neu zu starten. Während die Fähigkeit zum Drosseln für eine erste Stufe möglicherweise keine Rolle spielt, kann die Tatsache, dass Sie die Turbopumpen nicht einfach stoppen können, um den Motor abzuschalten, ein Sicherheitsrisiko darstellen. ( Challenger-Katastrophe )
2. SpaceX will eine schnelle Wiederverwendbarkeitsfunktion für die erste Stufe von Falcon 9 entwickeln. Hier scheint Flüssigkraftstoff überlegen zu sein. Obwohl die SRBs des Space Shuttles eine gewisse Wiederverwendbarkeit zeigten (indem der Booster mit dem Fallschirm ins Meer geworfen und dann renoviert wurde), war dies ein langer, mühsamer Prozess. Im Gegensatz dazu könnte die Wiederverwendung einer Flüssigtreibstoffrakete im Prinzip so einfach sein wie das Befüllen der Tanks mit neuem Treibstoff.

Wie Sie sagten, ist es für die erste Stufe viel wichtiger, in den ersten Minuten Schub zu gewinnen als Effizienz, und Festtreibstoffe bieten viel mehr Schub als Flüssigtreibstoffe. außerdem sind sie vergleichsweise billiger. Aufgrund des hohen atmosphärischen Drucks sind die unteren Raketenstufen so ausgelegt, dass sie einen sehr hohen Schub liefern, sodass die Rakete sehr schnell in große Höhen aufsteigen kann, wo der atmosphärische Druck niedrig ist. Dazu werden entweder Feststoffraketentriebwerke oder mehrstufige Flüssigkeits- oder Kryotriebwerke verwendet. Die LVM3-Trägerrakete verwendete zwei S200-Festtreibstoffverstärker zum Abheben. Der spezifische Impuls für diese betrug 274,5 Sekunden und der bereitgestellte Schub betrug 9316 KN. Die Kernstufe von LVM3 bestand aus der L110-Stufe, die zwei Vikas-Motoren (Flüssigkeit) mit einem spezifischen Impuls von 293 Sekunden und einem bereitgestellten Schub von 1598 KN verwendet.

Okay, also ... Flüssigbrennstoffe verwenden einen höheren ISP und einen niedrigeren Schub, aber SRBs verwenden einen niedrigeren ISP und einen höheren Schub. Während des dichtesten Teils der Atmosphäre wollen Sie gegen die Schwerkraft der Erde und der Atmosphäre kämpfen, Effizienz spielt keine Rolle. Einmal im Orbit zu manövrieren, Schub spielt keine Rolle, hier geht es um Effizienz und Präzision. Um in den Orbit zu gelangen, benötigen Sie einen Mittelpunkt in Effizienz und Schub. Wenn Sie versuchen, mit einer niedrigen Schubstufe in den Orbit zu gelangen, werden Sie dies tun nicht schnell genug beschleunigen können und zurückfallen.

Der Punkt bei all dem ist, dass Sie SRBs als erste Stufen verwenden KÖNNEN und Flüssigkeitsmotoren als obere Stufen verwenden MÜSSEN ... aber ich habe Raketen mit SRB-Oberstufen gesehen, es sind keine großen Stufen, aber es sind SRB-Stufen. Sie sind klein und haben daher keinen solchen Sicherheitsaspekt, aber für die ersten Stufen benötigen Sie große SRBs. Solange Sie genügend Sicherheitsmaßnahmen ergreifen, können Sie mit einer ersten Stufe aus einem SRB mithalten, schauen Sie sich Omega und Ares an -1 wird Omega als erste Stufe einen riesigen Feststoffraketen-Booster verwenden, und die Ares-1 tat dies. Was haben sie gemeinsam? Nun, die SRB ist nicht wirklich so groß, man könnte meinen, sie müsste so groß sein wie eine normale erste Stufe, aber das hätte so viel Schub, dass sie sie am Ende zerstören würde Rakete oder die Nutzlast, stattdessen können Sie sie verkleinern, bis Sie genau die Schubkraft erhalten, die Sie möchten.