Kombination aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff

Wasserstoff-Sauerstoff-Raketentriebwerke sind die effizientesten chemischen Raketen, die relativ sicher und praktisch zu verwenden sind, gemessen an der Treibmittelmasse. Die normalerweise für diesen Vergleich verwendete Metrik heißt spezifischer Impuls oder Isp (aus historischen Gründen normalerweise in Sekunden angegeben) und beträgt für die oberen Stufen des Saturn V etwa 421 Sekunden. Zum Vergleich: Der Kerosin-Sauerstoff-spezifische Impuls dauert normalerweise etwa 300 Sekunden (für Motoren der ersten Stufe dieser Zeit).

Für obere Stufen ist die Masseneffizienz unglaublich wichtig, weil die unteren Stufen diese Masse heben müssen. Daher ist Wasserstoff-Sauerstoff eine äußerst häufige Wahl für diese Rolle.

Für die erste Stufe ist jedoch die Masseneffizienz viel weniger wichtig als die Kosten. Kerosin-Sauerstoff-Motoren erzeugen aus einer Reihe von Gründen viel mehr Schub pro Dollar: Kerosin ist viel dichter als Wasserstoff, sodass Sie eine physisch viel kleinere Bühne bauen, was die Montage- und Transportkosten senkt; Wasserstoffleitungen sind viel kniffliger; Die Energiedichte von Kerosin bedeutet, dass der Motor physisch kleiner ist und daher einfacher zu bauen, zu transportieren, zu installieren usw.; flüssiger Wasserstoff muss viel kälter gehalten werden als flüssiger Sauerstoff und so weiter.

(Die von @uhoh in den Kommentaren verlinkten Fragen und Antworten veranschaulichen die Auswirkungen dieser Kompromisse für Saturn V.)

Die gleichen Drücke, die Kerosin für die erste Stufe der Saturn V attraktiv gemacht haben, gelten noch mehr für Feststoffraketentriebwerke – noch niedrigerer Isp, aber viel kompakter, einfacher und kostengünstiger, weshalb man sie in vielen modernen als Booster verwendet sieht Trägerraketen.

Meine persönliche Lieblingsquelle für Saturn V-Informationen, SP-4206 „Stages to Saturn“, wiegt die RP-1-Auswahl ab.

Ab Kapitel 7 :

Als Boeing am 15. Dezember 1961 den Auftrag zum Bau der größten Stufe des Saturn V, der S-IC-Erststufe, erhielt, waren die allgemeinen Umrisse des Erststufen-Boosters bereits ziemlich genau umrissen. Die Hauptkonfiguration des S-IC war bereits von MSFC festgelegt worden, einschließlich der Entscheidung, RP-1 anstelle des in den oberen Stufen verwendeten LH2-Kraftstoffs zu verwenden. Obwohl LH2 mehr Leistung versprach, deuteten einige schnelle Berechnungen darauf hin, dass es für den Booster der ersten Stufe nicht funktionieren würde.

Flüssiger Wasserstoff war nur halb so dicht wie Kerosin. Dieses Dichteverhältnis deutete darauf hin, dass ein LH2-Tankdesign für das erforderliche Treibmittel ein weitaus größeres Tankvolumen erfordern würde als für RP-1 erforderlich. Die Größe würde zu inakzeptablen Einbußen beim Tankgewicht und aerodynamischen Design führen. Also wurde RP-1 zum Treibstoff. Da sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel relativ dicht waren, entschieden sich die Ingenieure außerdem für eine separate statt einer integrierten Behälterkonfiguration mit einer gemeinsamen Trennwand. Das Hauptproblem vor der Auftragsvergabe bezog sich auf die Anzahl der Motoren, die in der ersten Stufe montiert werden würden.

Dieses Kapitel geht sehr detailliert auf das Design der Tanks der ersten Stufe ein, die so wie sie sind riesig sind. Ich denke, es ist fair zu sagen, dass noch größere LH2-Tanks einige der Konstruktionsprobleme verschlimmert hätten (obwohl sie hätten überwunden werden können).

Kapitel 4 befasst sich mehr mit den Motoren und impliziert, dass Technologiebereitschaft ein Faktor ist:

Die Auftragsvergabe der NASA an Rocketdyne im Jahr 1959, die einen Motor mit einem Schub von 6,7 Millionen Newton (1,5 Millionen Pfund) forderte, war ein bedeutender Sprung über alles, was zu dieser Zeit in Betrieb war. Führungskräfte innerhalb des Raumfahrtprogramms betrachteten den großen Motor als ein kalkuliertes Wagnis, um die Russen zu überholen und die amerikanischen Hoffnungen auf bemannte Mondmissionen zu verwirklichen. Es schien auch im Bereich des Möglichen zu liegen, indem Triebwerkskonstruktionskonzepte verwendet wurden, die sich bereits bei niedrigeren Schubkräften bewährt hatten, und indem man sich auf konventionellen Flüssigsauerstoff und RP-1-Treibmittel stützte.

Es ist üblicher Konservatismus in der Luft- und Raumfahrttechnik, inkrementelle Schritte nach vorne zu machen, also blieb man für die neu entwickelten F-1-Motoren mit hohem Schub für die erste Stufe bei ansonsten bewährten Kohlenwasserstoff-Treibstoffen.

Ich finde nicht sofort eine saubere Quelle für diese letzte Behauptung, daher sollte sie möglicherweise herausgeschnitten werden, aber ich glaube, dass es aufgrund der Dichte des Kraftstoffs auch einen spezifischen Schubvorteil gibt, und daher für eine erste Stufe mit einer relativ kurzen Brenndauer kann es für das Gesamtsystem effizienter sein, die spezifische Impulsstrafe zu zahlen , um den Vogel mit dem zusätzlichen Schub vom Boden und aus der dichten Atmosphäre zu heben, dann die Stufe fallen zu lassen und die Treibmittel auf etwas mit höherem Impuls umzuschalten. Ähnliche Argumente gelten für die Strap-On-Solid-Booster, die heute üblicherweise mit mehreren Startsystemen verwendet werden.

Es hat wahrscheinlich mit der Verbrennungsrate zu tun, der zweite Kraftstoff verbrennt schneller, um einen schnelleren Schub zu geben. Sobald Sie sich der Brenngeschwindigkeit des ersten Kraftstoffs nähern, beschleunigt er Sie weniger effektiv. Eine Rakete wird durch die Explosion beschleunigt, die auf das Dach der Kammer trifft. Fazit: Es ist wie der erste und zweite Gang in Ihrem Auto.