¿Cuánta masa podrían haber aterrizado en la Luna los cohetes Saturno V si no regresara nada?

¿Qué masa seca podría haber aterrizado suavemente en la Luna si un Saturno V hubiera sido reconfigurado para lanzar una misión robótica yendo completamente a la superficie? Obviamente, eso no era posible en ese momento, pero para un regreso a la Luna podría tener mucho sentido.

Aunque no hay más Saturn V, si SpaceX produce su diseño Mars Colonial Transporter, Elon dice que "hará que el cohete lunar Apolo parezca pequeño" . Entonces, para simular misiones a gran escala a la Luna basadas en robótica, me gustaría basar la carga útil en lo que podría haber hecho un Saturn V si se hubiera reconfigurado con eso en mente.

Esto es lo que hay para trabajar:

  • Módulos Lunares - Ascenso - 4800 kg (puede agregar todo eso, nada es ascendente)
  • Módulo de descenso: 2000 kg de masa seca, 8212 kg de propulsor,
  • Módulo de comando y servicio : 11 900 kg de masa seca, 16 900 kg de combustible (estas masas deben combinarse para calcular qué masa podría aterrizarse si solo hubiera un sistema de motor)
  • Sistema de escape de lanzamiento : 3600 kg (se descarta poco después del lanzamiento, por lo que una parte de eso se puede agregar a la carga útil en la superficie de la Luna)

Así que hay algunas arrugas aquí. ¿Qué tipo de ahorro masivo podría obtenerse al combinar los motores de LEM y CSM y cambiar el tamaño de algo que colocaría la configuración resultante en la superficie? ¿Cuánto del sistema de escape de lanzamiento puede considerarse como masa de carga útil adicional a la Luna? No he encontrado una cifra para su masa, pero ¿sería razonable agregar la masa del adaptador del módulo lunar ?

Una nota: como se trata de la construcción, en realidad no estoy haciendo una distinción entre las naves espaciales y sus cargas útiles. En el contexto de las misiones en curso dirigidas a los asentamientos, las naves espaciales son materiales útiles que se pueden reutilizar, incluso el combustible sobrante. Entonces, si aterriza, cuenta.

¿Alguna razón por la que quieras que la masa esté seca? ;-)
@ user2705196 "Seco" no se refiere al agua, sino al combustible y similares. La masa seca de un cohete es lo que pesa antes de cargar combustible, gas de presurización y similares.

Respuestas (2)

Según Wikipedia, Saturno V podría lanzar 48600 kg a inyección translunar.

A partir de ahí, necesita aproximadamente 2410 m/s de ∆v para aterrizar suavemente en la luna . Tomemos un poco de combustible adicional para el margen de seguridad y llamémoslo 2700 m/s.

Según la ecuación del cohete , asumiendo que está usando un cohete que usa propulsores hipergólicos almacenables con un impulso específico de 312s (como el AJ-10 usado en el módulo de servicio Apollo), necesita una relación de masa de 2.42 para proporcionar esa cantidad de ∆ v.

Por lo tanto, puede aterrizar suavemente un total de 48600/2.42 = ~ 20100 kg de masa seca del barco.

La NASA ha considerado el CECE , una evolución de estrangulamiento profundo del motor de hidrógeno RL-10, para futuras misiones de alunizaje. Esto proporcionaría un impulso específico mucho mejor, pero el tanque de combustible asociado sería mucho mayor en volumen y la evaporación de los propulsores criogénicos sería una gran preocupación. Con un impulso específico de 455 s, la masa seca aterrizada sería de unos 26200 kg.

Je, eso fue más sencillo de lo que pensaba. Ahora me pregunto si debería agregar un poco a la pregunta para hacerla más interesante. ¿Siguen siendo hipergólicos cuál sería la opción lógica? ¿Cuál sería la masa del barco? Estoy pensando que realmente no tiene sentido pedir seguimientos, sino incluir eso aquí...
La masa de combustible de la nave es la masa TLI de 48600 kg (es decir, lo mismo que Apollo CSM + LM): es un poco más de la mitad del combustible en la inyección. No sé cuál es el estado del arte para mantener fríos los combustibles criogénicos en un vuelo de tres días; el queroseno-LOX no le daría mucha mejora en el impulso específico, y el hidrógeno-LOX significaría un volumen mucho mayor en el tanque, por lo que los hipergólicos parecen la opción más sencilla (particularmente porque no necesitamos un ∆v muy grande).
Además, eso significa que puede hacer un aterrizaje forzoso de 48.600 kg de, por ejemplo, materias primas. A pesar de que 0.5 ⋅ 48600 ⋅ 2410 2 = 141 gigajulios de impacto... eso es 33 toneladas de TNT equivalente. Tendría que ser un bloque muy fuerte de materias primas :)
Respuesta simple y elegante. Sin embargo, tengo curiosidad por saber de dónde se calculó la información del mapa deltaV.
Diez toneladas, así que tal vez un pequeño reactor nuclear y una fábrica en una caja.
@SarahBourt: de hecho, encontré un montón de números diferentes y no estoy seguro de cuál es el más preciso. en.wikipedia.org/wiki/… da 5930 m/s desde LEO hasta la superficie lunar; TLI es 3050-3250 m/s de eso según en.wikipedia.org/wiki/Trans-lunar_injection , por lo que deja 2700+ m/s, un poco más alto de lo que obtuve del gráfico, por lo que estos números pueden no ser conservadores. suficiente. También hay una diferencia de al menos 400 m/s ∆v entre una quemadura suicida robótica perfecta y un aterrizaje lunar manual del comandante de Apolo insípido.
Según esta respuesta , la órbita lunar baja a la superficie lunar es de 1870 m/s en un sentido. (Afirmación sin fuente, sin embargo). Eso deja 540 m/s delta-v para la inyección orbital TLI a LLO en función de su cifra de 2410 m/s desde TLI a la superficie lunar. Sinceramente, no puedo juzgar si esa cifra es razonable o no.
@MichaelKjörling: ¿Qué tal pasar de una órbita lunar baja a una "órbita" elíptica cuyo pericentro está debajo de la superficie lunar? Uno podría terminar con una zanja bastante grande para los estándares humanos, pero no sé si el efecto de cualquier objeto hecho por el hombre sería significativo en comparación con algunas de las otras cosas que han golpeado la Luna.

Y aquí está la respuesta desde la perspectiva de la era Apolo: Texto de "Ciencia Popular" de 1966: "Qué haremos en la Luna" , escrito por el Dr. ¡El mismísimo Wernher von Braun! - Enlace de Google Libros

Los módulos de aterrizaje de carga no tripulados, lanzados por cohetes Saturno V, podrían aterrizar suavemente 30,000 libras cada uno en la luna, abriendo el camino a grandes laboratorios lunares estacionarios y móviles y, en última instancia, a bases tripuladas permanentes.

1966 Ilustración de Popular Science, aterrizaje suave 30000 libras de carga en la luna

En comparación con la otra respuesta, 30 000 libras son 13 600 kg, por lo que la estimación de von Braun es más conservadora.
@zwol Muy similar en realidad. Esta cifra es solo para carga. La respuesta de 20100kg es para carga + estructura + motores + aviónica + combustible residual.
¿Cuánta masa podrían haber aterrizado en la Luna los cohetes Saturno V si no regresara nada?
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