¿Existe un límite teórico para el tamaño de los vehículos de lanzamiento?

¿Existe un límite para el tamaño (masa, problemas estructurales) de los propulsores que pueden lanzarse a velocidad orbital o de escape? Estoy preguntando acerca de restricciones tales como la relación de empuje a peso requerida con la tecnología existente, la escala de cubo cuadrado y la capacidad del vehículo para sostenerse físicamente a sí mismo. No estoy preguntando sobre el tamaño de la infraestructura necesaria para operar el vehículo, como el tamaño de la almohadilla, etc.

¡Esta es una pregunta interesante! Puede encontrar las respuestas a ¿Cuánto más grande podría ser la Tierra antes de que los cohetes no funcionaran? un poco interesante, pero esta es definitivamente una pregunta diferente a esa.
La ecuación del cohete requiere una buena relación entre la masa estructural y la masa de combustible. Pero la ley del cubo cuadrado requiere más masa estructural para un cohete gigantesco de 10 veces el tamaño de un Saturno V. ¿Alguien intentaría construir una primera etapa con un 50 % de masa estructural?
¿Existe un límite teórico para una fuente de energía que aún no hemos encontrado?
Puede haber alguna idea al leer sobre el cohete más grande jamás diseñado. en.wikipedia.org/wiki/Sea_Dragon_(cohete)
Creo que la ley del cubo cuadrado funciona a favor de los cohetes grandes, no en su contra (más volumen de propulsor por masa de tanque, por lo tanto, un diseño más eficiente).
@Hobbes: según tengo entendido, la masa del tanque presurizado es lineal con el volumen. Sin embargo, el cableado, la aviónica y otras cosas relacionadas con el control están más cerca de la constante o la escala con dimensión lineal, por lo que hay algunas ganancias relativas para etapas más grandes.
Si se escala un tanque esférico presurizado, el volumen y la masa del tanque escalan proporcionalmente al cubo del diámetro. El espesor de pared necesario para una presión constante se escala linealmente y la circunferencia también. Pero para resistir las fuerzas gravitacionales de la masa de combustible en el tanque, se necesita más que una escala lineal del espesor de la pared. La masa de combustible escala por cubo de diámetro, por lo tanto, la sección transversal de las paredes también debe escalar por cubo. El espesor de la pared de las partes inferiores que soportan el peso del combustible debe escalar cuadráticamente. Por lo tanto, la masa del tanque presurizado se vuelve lineal con el volumen solo en gravedad cero.

Respuestas (2)

Creo que la respuesta es sí: debería haber un tamaño de cohete máximo teórico para un conjunto dado de tecnología de cohetes (materiales estructurales disponibles, propulsores y diseño de motor), pero actualmente no tengo los recursos disponibles para dar un específico. responder. Estos son los lugares por los que empezaría a buscar:

  • Tamaño de la maquina. A menos que se mejore el nivel de preparación tecnológica (TRL) de los aerospikes con más pruebas, es probable que las boquillas de campana tengan un tamaño limitado por sus necesidades de enfriamiento, que generalmente requieren conectar la boquilla con una camisa de propulsor. Más tubería requiere más presión de la turbobomba, que ciertamente tiene un límite práctico, aunque no sé si lo dicta el tamaño de la bomba o la tubería en sí. Una vez que los motores alcanzan su límite de tamaño, tienen que multiplicarse, lo que requiere una estructura de soporte para distribuir su empuje en el cohete, reduciendo la fracción de masa del propulsor, disminuyendo el delta-V disponible y, por lo tanto, la capacidad de alcanzar la órbita.
  • Los tamaños de los tanques propulsores probablemente estarían limitados en última instancia por la tensión circunferencial, que aumenta en proporción al radio del tanque. Para una elección determinada de material y propulsor, debe haber un tamaño de tanque final, después del cual debe haber varios tanques con estructuras conectadas, lo que comienza a reducir la fracción de masa del propulsor, lo que afecta directamente el delta-V y, por lo tanto, la capacidad de alcanzar la órbita. .
  • A medida que ingresa a cohetes REALMENTE grandes, puede comenzar a tener problemas de torsión estructural (esencialmente, la cola gira en una dirección, pero el resto del cohete... no lo hace) si intenta dirigir sin distribuir las fuerzas de control a lo largo la estructura. Esta multiplicación de motores de dirección, estructura asociada, plomería y electrónica de control también debería afectar la fracción de masa del propulsor.

Obviamente. Hay límites a la altura de un edificio debido al peso de los materiales utilizados. Un cohete es, en cierto sentido, un edificio, alcanzará los límites estructurales mucho antes con un cohete porque una fracción tan pequeña de su masa es capaz de soportar una carga.

A medida que su cohete se vuelve más y más alto, más y más de su masa tendrá que utilizar su propia fuerza, eventualmente llegará a un punto en el que hacerlo más grande reduce el rendimiento en lugar de aumentarlo.

Sin embargo, no existe tal límite para ensancharse. Sin embargo, en la práctica, cuanto más se ensanche, más importará la torsión y habrá que equilibrar las cosas con mayor precisión. En algún punto de ese camino habrá un límite a lo que realmente puedes construir sin que el cohete se rompa, pero no hay un límite teórico en este aspecto.

Una esfera es la forma óptima teórica de un tanque de combustible, superficie mínima combinada con volumen máximo. Construir un tanque mucho más ancho y menos alto que una esfera aumenta la masa estructural. Un mamparo superior e inferior plano del tanque necesita más masa estructural que un mamparo con la forma óptima de un hemisferio. Hay un límite para ensancharse cuando la relación entre la masa estructural y la masa de combustible empeora demasiado.
@Uwe Podrías hacer una abominación como la que he usado en KSP en niveles de baja tecnología: construir un cohete que sea básicamente copias de sí mismo apiladas en paralelo.
El apilamiento de cohetes en paralelo también es limitado, necesita una masa estructural adicional para el apilamiento. Imagine una primera etapa construida a partir de muchos cohetes apilados en paralelo y el montaje de una segunda etapa encima.
@Uwe Eso es vertical, no horizontal. La abominación KSP que estoy imaginando era básicamente 5 cohetes uno al lado del otro. Eso significó una rueda de reacción en lugar de 5, significó 19 asientos con turistas para 1 piloto frente a 4 asientos con turistas para 1 piloto.
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