¿El tanque externo del transbordador espacial habría entrado en órbita como un VT SSTO con 6 SSME?

Dejando caer los propulsores externos y también todo el orbitador de 75-100 toneladas de la imagen, ¿habría el tanque en órbita por sí solo? Esto requeriría atornillar al menos 5, mejor 6, quizás incluso 9 SSME al fondo del tanque. Asumo 7 a continuación para la paridad con la aceleración inicial de medio G del transbordador.

Obviamente, estoy simplificando enormemente aquí: 26 toneladas de tanque vacío más 7 x 3,5 toneladas de motores son 50,5 toneladas juntas contra 735 toneladas de masa de combustible. La velocidad de escape a nivel del mar es de 3,6 km/s, y el vacío de 4,4, así que supondré 4 (¿con optimismo, con pesimismo? ) para alcanzar la órbita incluyendo la gravedad y la resistencia del aire es de 9,7 km/s.

Lo que obtuve es que me quedan al menos 20 toneladas para jugar con cosas como un arnés alrededor del fondo del tanque para conectar los motores, el equipo de control y la carga útil. ¿Cuál aparentemente dejaría al menos 10 toneladas de carga útil permitida?

Lo que las ecuaciones que utilicé ignoran por completo es el empuje inicial a la masa bruta de lanzamiento que seguramente afectaría la gravedad y la resistencia del aire. Con 6 SSME a ~21 toneladas y ~1116 toneladas de empuje agregado a nivel del mar, tendría un poco menos que la aceleración inicial del transbordador, aproximadamente 1,38, con 9 a ~32 toneladas, sería aproximadamente el doble que el transbordador. ¿Cuál es la suposición detrás del delta-v de 9,7 km/s en la página de Wikipedia en cuanto a la fracción de arrastre de aire/gravedad y la aceleración de lanzamiento inicial?

¿Qué tan lejos estoy con esta matemática descuidada?

EDITAR: ¿Alguien puede derivar el número óptimo de SSME que produce la mayor carga útil y compartir su lógica? Es arrastre de gravedad frente a fracción de masa seca frente a arrastre de aire: más motores significan menos arrastre de gravedad, pero peor fracción de masa y también arrastre de aire, ya que sería más rápido al principio en la atmósfera más baja y densa, y viceversa.

Una cosa a tener en cuenta es que el SSME no se puede reiniciar, esto complica la circularización de la órbita.
¿Podría alguien con suficiente reputación crear las etiquetas de arrastre por gravedad y arrastre por aire si ve esto? Parece una omisión no tenerlos.
la resistencia atmosférica existe, aunque no vi un sinónimo de resistencia a la gravedad.
Ah gracias, no había visto eso. Resulta que no puedo adjuntar más de 5 etiquetas de todos modos.

Respuestas (1)

Lo que las ecuaciones que utilicé ignoran por completo es el empuje inicial a la masa bruta de lanzamiento que seguramente afectaría la resistencia a la gravedad. ... ¿Cuál es la suposición detrás del delta-v de 9,7 km/s en la página de Wikipedia en cuanto a la fracción de arrastre de la gravedad y la aceleración inicial del lanzamiento?

9,7 km/s está hacia el extremo superior de los requisitos de delta-v a la órbita. Varía con la aerodinámica (dominada por la relación masa-sección transversal, lo que favorece a los lanzadores más grandes) y con la aceleración inicial y el impulso específico (debido a la curva de aceleración y las pérdidas por gravedad).

En contra de la intuición, para la misma masa y empuje iniciales, un impulso específico más bajo produce un requisito de delta-v más bajo porque el cohete arroja masa más rápido y, por lo tanto, acelera más rápidamente (una explicación de este fenómeno está aquí en yarchive.net ; gracias al usuario Arris por encontrarlo).

Por lo tanto, su costo de ∆v para orbitar podría ser ligeramente más alto para su diseño totalmente hidrolox que para el transbordador con sus SRB de bajo impulso específico, pero 9,7 km/s sigue siendo probablemente una estimación conservadora.

Su análisis parece razonable dada su edición de 6 SSME. Parte de la masa de la carga útil sería consumida por la estructura de empuje y el adaptador de carga útil, pero estaría en el estadio de béisbol de 20 toneladas de carga útil con un objetivo de ∆v de 9,6 km/s. Probablemente querrá apagar algunos de los motores a medida que asciende; al 68% del acelerador, estaría tirando de más de 10 g en el agotamiento con los 6 disparos.

Tenga en cuenta que este diseño desecha el valor de una flota completa de SSME (costo moderno de alrededor de $ 50- $ 60 millones por SSME) cada dos lanzamientos.

Gracias por confirmar. Estoy un poco sorprendido con este resultado, ya que está en un conflicto tan marcado con la sabiduría común y aceptada de que SSTO no es factible porque es demasiado difícil optimizar suficientemente la fracción de masa seca y/o hacer que los motores sean lo suficientemente eficientes en todo el espectro de presión. desde el nivel del mar hasta el vacío. Como un novato de stackexchange, ahora me pregunto principalmente cómo plantear la pregunta principal real: si SSTO es tan fácil de hacer, si ya lo tuvimos hace medio siglo como parece, ¿por qué no lo hacemos todo? ¿el tiempo?
Su objeción en cuanto al costo unitario de las SSME asume que no podríamos hacer que los motores con un rendimiento similar sean mucho más baratos hoy en día (como Vulcain 2.1, el próximo modelo de Ariane 5, parece bastante bueno ya que el recuento de piezas se redujo en un 90 % según el cable de noticias). ), o que no pudimos adaptar este diseño de VT a un costo adicional de 10 toneladas para que fuera VTOL.
No hacemos SSTO porque no hay una ventaja particular en hacer SSTO prescindible . Es más barato y sencillo hacer 2STO. Si tiene la intención de recuperar la etapa única, necesita una solución térmica y una solución de aterrizaje, que consume su carga útil.
La cifra habitual que se arroja para la recuperación de la primera etapa del Falcon 9 es que cuesta entre el 15 % y el 30 % de su "rendimiento" (¡muy vago!) de aletas de rejilla y patas de aterrizaje. Y eso es para una reentrada desde ~2 km/s en lugar de la velocidad orbital. Si tiene la intención de recuperar un SSTO orbital, pagará una multa muy alta.
@RussellBorogove, siguiendo su inspirador comentario, ¿por qué Falcon Heavy envía 3 primeras etapas recuperables y una segunda etapa, en lugar de lanzar dos primeras etapas recuperables empujando una segunda etapa (segunda etapa más pesada que la segunda etapa impulsada por un solo refuerzo F9)?
@qqjkztd No estoy seguro de entender qué / por qué está preguntando, pero es relativamente sencillo agregar simétricamente dos refuerzos a un F9 y dejar la segunda etapa como está; un "Falcon 18" necesitaría un nuevo diseño entre etapas y un nuevo escenario superior y sería menos capaz que un Falcon Heavy.
@RussellBorogove Creo que tiene razón, es el razonamiento que darían los ingenieros de Arianegroup, BlueOrigin, ULA y SpaceX sobre por qué prefieren 2STO o 3STO prescindibles sobre SSTO prescindibles. Sin embargo, no está claro a menos que equipare el costo con el gasto de combustible por unidad de masa a LEO. Si prefiere asumir que la complejidad, para la cual el recuento de partes podría ser un indicador razonable, fue el principal impulsor del costo total de la unidad de masa para LEO, el SSTO prescindible podría tener una ventaja. ¿No es una preocupación por la eficiencia del combustible lo que está detrás de la suposición automática de que 2/3STO es más barato?
La simplicidad en el recuento parcial de un SSTO es atractiva, es cierto, pero el hidrolox en general tiene muchas desventajas (algunas discutidas aquí ), y otros propulsores necesitan una fracción de masa significativamente mejor para hacer SSTO debido a su menor impulso específico. 2STO le permite reducir sus problemas de hidrolox a una segunda etapa comparativamente pequeña y utilizar soluciones más económicas (sólidos o kerolox) para la primera etapa.
@Prototypist, te puede interesar acuario . Fue un intento de reducir al máximo la complejidad del diseño de un cohete en la forma que sugieres.
Recuerdo vagamente haber leído acerca de cómo la NASA ideó el diseño del transbordador mientras volaba, y ese concepto inicial era todo hidrolox, pero se descartó debido al inmenso tanque de combustible requerido y la penalización de peso asociada.
"Tenga en cuenta que este diseño desecha el valor de una flota de transbordadores completa de SSME (costo moderno alrededor de 50 60 millones por SSME) cada dos lanzamientos". Bueno, eso no es mucho peor que los planes actuales para SLS, así que...
Por tonelada de carga útil en órbita es bastante peor.