¿Habría sido capaz el Saturno V de enviar más masa a TLI si tuviera una órbita de estacionamiento terrestre más baja?

Después de leer un poco sobre el tema, me encontré con una serie de aumentos en el rendimiento LEO y TLI de Saturno V en el transcurso del programa Apollo. Las primeras misiones a la luna enviaron entre 133t y 137t a órbitas de estacionamiento de 185 km, y luego podrían lanzar alrededor de 47t a la luna. Las misiones posteriores (Apolo 15, 16 y 17) orbitaron entre 140t y 141t a 167 km, y cada una envió alrededor de 48,6 t a la luna. Estos Saturnos posteriores se mejoraron ligeramente en comparación con los de vuelos anteriores.

Entonces, si los SA-514 y SA-515 Apollo Saturn V se hubieran mejorado un poco más para las misiones planificadas más tarde (que, por supuesto, se cancelaron), ¿cuánta masa habrían podido enviar a 167 km LEO y al ¿luna?

Además, ¿podrían aumentarse estas masas LEO y TLI al reducir la órbita terrestre de estacionamiento a 150 km? (Esto dependería de si la ventilación de hidrógeno S-IVB podría superar la resistencia atmosférica durante el tiempo antes de que se queme el TLI...)

Respuestas (3)

Sí, obtendría un poco más de rendimiento desde una órbita de estacionamiento más baja. El estándar es 100 millas náuticas (185,2 km), pero en MER (Mars Exploration Rover) conseguimos que la gente del vehículo de lanzamiento bajara la órbita de estacionamiento a 80 millas náuticas, según recuerdo, del orden de un aumento del 1% en la masa entregada a Inyección de Marte. 1% puede no parecer mucho, pero cada kg cuenta. Más tarde retrocedimos a 90 millas náuticas cuando teníamos un mejor conocimiento de la masa de la nave espacial.

También conseguimos que redujeran la altura a la que se expulsaba el carenado.

Consideramos, pero rechazamos, hacer elíptica la órbita de estacionamiento.

También permitimos una probabilidad ligeramente menor de apagado ordenado, es decir, una mayor probabilidad de quedarse sin propulsor en la segunda etapa. Esto podría acomodarse de manera probabilística mediante maniobras de naves espaciales, lo que resultaría en una ganancia neta.

Todos estos son pequeños cambios, pero cuando intentas ganar los últimos kilos como estábamos en un punto en MER, intentas cosas como esta.

Ah bien. Parece sensato. Cada kilogramo de capacidad de carga útil adicional tiene el potencial de ser útil y, en el caso de las misiones lunares Apolo, un 1% adicional sería aproximadamente media tonelada. Gracias por la información... Por cierto, dijiste "nosotros" en el comentario. ¿Así que trabajaste en Spirit and Opportunity? ¿Cuál es/fue su papel en el programa MER? Parece que sería genial, ¡el tipo de cosas en las que me gustaría trabajar para una carrera!
Gerente de Misión Espiritual.
¿La ventaja de una órbita de estacionamiento más baja proviene del efecto Oberth?
Eso, y el hecho de que no tienes que entrar en una órbita tan alta en primer lugar.
Pero esa altitud tiene que ganarse durante la quema de inyección de todos modos, ¿no?
No, escapas de la gravedad de la Tierra allí mismo, en la altitud de la órbita de estacionamiento.
Supongo que creo que si alguna etapa no produce el corte de combustible, tenía capacidad sin usar. Prefiero poner todo el delta V de repuesto en el vehículo de transferencia.
Esto es interesante, pero ¿es lo mismo ir a Marte (escapando de la gravedad de la Tierra) que ir a la Luna (que todavía está en órbita alrededor de la Tierra)?
@suma En términos de órbitas de estacionamiento, no hay diferencia. El porcentaje será un poco diferente, pero la energía total para llegar a Marte es sorprendentemente cercana a la energía total para llegar a la Luna.

No está claro en qué mejoras está pensando para las últimas misiones Apolo. Es poco probable que se hayan realizado cambios significativos adicionales para dos misiones adicionales.

Los aumentos de rendimiento en las misiones voladas provinieron principalmente de una modificación menor de los inyectores de combustible del motor de primera etapa que permitieron una tasa de flujo de propulsor más alta y, por lo tanto, un mayor empuje, combinado con cargas de combustible algo mayores en las tres etapas del lanzador.

La NASA pudo aumentar el peso de las pilas de carga útil del Apolo simplemente porque ganaron confianza en el transcurso del programa de que el lanzador cumplía y excedía de manera confiable sus especificaciones de rendimiento.

Se consideraron varios desarrollos evolutivos futuros del Saturno V. El primero de estos involucró el uso de motores F-1A mejorados, además de una primera y segunda etapas estiradas, y habría aumentado la carga útil a LEO en unas 7 toneladas, pero este sería un cohete completamente nuevo, no una modificación del SA-514 ya construido. o vehículos SA-515.

Como se describe en la respuesta de Mark Adler, una órbita de estacionamiento más baja puede brindar una ventaja de masa de carga útil de aproximadamente el 1% en una misión translunar o a Marte.

Oh, lo siento, no especifiqué las mejoras sobre las que me preguntaba. Supuse que todas las longitudes de etapa se mantuvieron estándar y que no se realizaron cambios importantes en el motor (aunque se permitiría la mejora de los modelos de motor existentes)
Así que parece que las masas de la carga útil se incrementaron debido a mayores tasas de flujo de propulsor en la primera etapa y mayores cargas de combustible en las tres etapas, y no tanto debido a las órbitas de estacionamiento más bajas. Aun así, ¿cuánta masa podría haber colocado Saturno en órbitas de estacionamiento por debajo de 167 km como se usó en misiones reales? Si bien esto no aumentaría mucho la carga útil de TLI, solo tengo curiosidad... Tendría que ser más de 141 t. Gracias por tu respuesta anterior.
Si vas a ir a la luna, se necesita casi exactamente la misma cantidad de energía sin importar la altitud a la que esté tu órbita de estacionamiento, o si te saltas la órbita de estacionamiento por completo. Si no vas a ir a la luna, parece que el margen de carga útil es de aproximadamente 0,6 toneladas por cada 10 km de altitud; en mi simulación, 135,4 toneladas a 185 km frente a 137,5 toneladas a 150 km.
Esa relación parece mantenerse bastante cerca de la lineal en cualquier lugar de órbitas de 100 km a 500 km (140,7 toneladas a 115,4 toneladas) para una pila Saturn V/Apollo.
Eso es interesante. Bueno, supongo que eso lo resuelve. Casi todos los cambios en la masa de la carga útil del Apolo 11 al Apolo 17 parecen deberse a la alteración del rendimiento del cohete. La caída de 185 km a 167 km probablemente no fue responsable del aumento de varias toneladas para las misiones Apollo J. (Por cierto, ¿100 km sería demasiado bajo para una órbita de estacionamiento?) Me gusta cómo tienes una regla básica para calcular las masas. ¿Cómo lo simulaste? Gracias de nuevo por la rápida respuesta. ¡Muy útil!
De hecho, he estado trabajando en un motor de simulación general de lanzamiento a órbita (inspirado en el trabajo de Bob Braeunig aquí braeunig.us/apollo/saturnV.htm ), y ya tenía una configuración genérica de Saturn V/Apollo, así que simplemente cambió la altitud objetivo y volvió a ejecutar la simulación, registrando la masa cuando se alcanza la órbita objetivo.
No estoy seguro de cuál sería una altitud segura para la órbita de estacionamiento, pero sospecho que 100 km es demasiado baja.

¿Podrían aumentarse estas masas LEO y TLI bajando la órbita terrestre de estacionamiento a 150 km?

Sí. De acuerdo con este documento *, se realizó una compensación entre masa a LEO, vida útil orbital y límites térmicos:

La elección de 100 n.mi. La órbita para la altitud de la órbita circular se obtuvo mediante un compromiso entre la capacidad de carga útil inyectada por el vehículo de lanzamiento y una combinación de vida útil orbital y límites de calentamiento. Cuanto menor sea la altitud de la órbita de estacionamiento, mayor será la capacidad de carga útil inyectada por el vehículo de lanzamiento . Sin embargo, a medida que se reduce la órbita de estacionamiento (para tener en cuenta las posibles dispersiones), se acercan al tiempo de vida orbital mínimo requerido y a los límites térmicos de la nave espacial y el vehículo de lanzamiento.

(énfasis mío)

*) El periódico está detrás de un muro de pago y aún no he podido encontrar una copia del mismo. Puede haber un análisis más profundo en el resto del documento. Si alguien tiene acceso a ella...

¿Habría sido capaz el Saturno V de enviar más masa a TLI si tuviera una órbita de estacionamiento terrestre más baja?
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