La razón de los SRB es que la pila pesa alrededor de 4,4 millones de libras.

Los dos SRB proporcionan alrededor de 2,8 millones de libras de empuje cada uno. Los tres SSME aportan alrededor de 600 Klb cada uno.

Si resta 5,6 millones de libras de empuje y los SRB pesan 1,3 millones de libras cada uno, entonces la pila restante, un poco más de 1,8 millones de libras, solo tiene 1,18 millones de libras de empuje.

Por lo tanto, permanecerá exactamente donde está, quemando combustible, destruyendo la plataforma de lanzamiento, hasta que los SSME quemen suficiente LOX / LH2 para reducir la masa total de la pila a aproximadamente 1.18 millones de libras, luego comenzará a moverse. Pero entonces no hay suficiente impulso para llegar a la órbita.

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Sin SRB, al mantener la relación de empuje a peso de la pila real en el encendido, se queda sin combustible en unos 167 segundos con (si mantenemos el perfil de vuelo de la pila real) una velocidad de alrededor de 1,4 km/s y una altitud de alrededor de 70 kilómetros

Sin SRB, con una relación empuje/peso inicial de 1, te quedas sin combustible a los 289 segundos con (si mantenemos el perfil de vuelo de la pila real) una velocidad de unos 2,4 km/s y una altitud de unos 100 km.

Para alcanzar una órbita terrestre baja y estable, necesita alrededor de 7,4 km/s a aproximadamente 110 km de altitud.

Algunos puntos de datos

• El Orbiter (específicamente OV-105) tenía un peso vacío de 68.585 kg (68,6 Mg) o 110.000 kg (110 Mg) en el despegue
• El tanque externo superligero tenía un peso vacío de 26 500 kg (26,5 Mg) o 756 000 kg (756 Mg) cuando estaba completamente lleno de combustible
• El Orbiter más el Tanque Externo Superligero tienen un peso vacío combinado de 95,1 Mg.
• Los tres motores principales del Orbiter (nuevamente OV-105) proporcionaron un empuje de 1752 kN cada uno (cuando funcionaba al 104 % al nivel del mar) para un total de 5255 kN o 536 Mgf solo en las SSME.
• Los dos propulsores de cohetes sólidos (SRB) tenían una masa de 571 Mg cada uno en el despegue y contribuyeron con 12.500 kN o 1.274 Mgf de empuje cada uno.

Supuestos comunes

Dado que los SSME quemaron 629 340 kg de LOX y 106 261 kg de LH2 en una quema de ascenso normal de 480 segundos, la tasa de quema es de aproximadamente 1,3 Mg/segundo LOX y 0,22 Mg/segundo LH2. También vemos que la relación de flujo de masa LOX a LH2 es de aproximadamente 5.92: 1 como$\frac{629\,340}{106\,261} \approx \frac{5.92}{1}$.

Para simplificar, no estoy permitiendo ningún tipo de carga útil. En este escenario, si desea transportar una carga útil, hacerlo necesariamente reducirá la cantidad de combustible que puede llevar, porque básicamente está transfiriendo la masa de despegue del combustible (que necesita para despegar) a, en lo que respecta a la propulsión. se refiere, peso muerto.

Caso realista: relación de empuje a peso en el encendido igual que un transbordador espacial normal, incluidos los SRB

Para un transbordador espacial normal, incluidos el tanque externo y los SRB, el empuje total proporcionado por los cinco motores (tres motores principales más dos SRB) es$3 \times 1\,752 + 2 \times 12\,500 = 30\,255$kN o alrededor de 3085 Mgf en el despegue. Al mismo tiempo, la masa total de la nave espacial completamente equipada es$110 + 756 + 2 \times 571 = 2\,008$mg. Esto da una relación de empuje a peso (TWR) de$\frac{3\,085}{2\,008} \approx 1.536$en el momento del encendido.

Debido a que en ausencia de los SRB tenemos 536 Mgf de empuje, podemos permitir$\frac{536}{1.536} \approx 349$Mg de peso bruto de despegue manteniendo la relación empuje-peso. Restando el peso en vacío del Orbiter y el SLET nos quedan unos 254 Mg que podemos utilizar como combustible.

Manteniendo la relación LOX/LH2 de 5,92:1, podemos cargar unos 36,7 Mg de LH2 y 217 Mg de LOX.

Al quemar 1,3 Mg/segundo LOX y 0,22 Mg/segundo LH2, esta carga de combustible dura$\frac{217}{1.3} \approx \frac{36.7}{0.22} \approx 167$segundos. En consecuencia, nos quedamos sin gasolina en unos 167 segundos.

Mejor caso teórico absoluto: relación empuje a peso = 1 en el encendido

Dado que el orbitador más el tanque externo sin carga útil pesa 95 Mg, y usted tiene 536 Mgf de empuje, esto le deja alrededor de 440 Mg que puede usar como combustible y aún así hacer que la nave espacial se mueva.

Manteniendo igual la relación flujo másico LOX/LH2, en 440 Mg podemos llenar la ET con unos 376 Mg LOX y 63,6 Mg LH2 ($376 \approx 63.6 \times 5.92$). Suponiendo que la tasa de flujo másico no cambia con esta masa inicial más baja, esta carga de combustible se agotará después de 289 segundos, más o menos una fracción de segundo más o menos.

Tenga en cuenta que esta configuración requerirá instalaciones de lanzamiento muy diferentes para evitar que la nave espacial sea destruida por la energía reflejada antes de que tenga tiempo de ascender lo suficiente como para que esto no sea un problema importante. Pero dado que el transbordador espacial sin los SRB ya es una nave espacial bastante diferente de la que teníamos, creo que es seguro decir que también podemos ajustar las instalaciones de lanzamiento para adaptarse a los diferentes diseños de naves espaciales.

¿Dónde nos deja eso?

No pude encontrar ningún buen gráfico oficial de la NASA para la altitud versus el tiempo para el transbordador espacial (si alguien sabe de uno, ¡por favor comenten!), pero la velocidad versus el tiempo fue más fácil.

Esta publicación en los foros de xkcd de davidstarlingm hace referencia al kit de prensa STS-30 de la NASA , que, entre otros puntos notables en la trayectoria, pone el "retorno negativo" en 238 segundos con una velocidad de 6915 pies/s, que es un cabello por debajo de los 2108 m/s. y una altitud de unos 319.000 pies o 97 km. Si bien dudo que la curva real sea tan agradable (teniendo en cuenta, por ejemplo, que el motor se desacelera al final del ascenso para mantener una aceleración máxima de 3 G debería dar como resultado una curva más en forma de S), mirando la gráfica de los datos de velocidad versus tiempo y la función que describe los puntos de datos disponibles:

coloca la velocidad del transbordador espacial alrededor de la marca de 290 segundos en algún lugar alrededor de 8,000 pies / so 2,400 m / s. Ese es el mejor caso teórico, donde comenzamos con un TWR = 1. Como una aproximación rápida, en realidad llegamos al espacio hoy en términos de altitud; la línea Kármán está a 100 km de altitud, y al menos pasamos los 97 km de altitud algún tiempo antes de que nuestros motores se apagaran por agotamiento de combustible.

En el caso más realista, manteniendo la TWR de la pila original = 1,536 en T-0, a los 167 segundos, la velocidad de la nave espacial es de alrededor de 5000 pies/so 1500 m/s. Al mismo tiempo, se encuentra a mitad de camino entre la puesta en escena SRB de la nave espacial real a los 125 segundos (153 405 pies de altitud en el caso de STS-30) y el retorno negativo a los 238 segundos (STS-30: 319 008 pies de altitud), así que dividamos la diferencia y llámelo 236,200 pies o 72 km. En este caso, no estamos ni cerca del espacio.

Compárelos con la trayectoria real del STS-30, que se logró con el corte de los motores principales (MECO) a los 511 segundos (por lo que en realidad fue un encendido un poco más largo) y una velocidad de 24 286 pies/s (7,4 km/s) a aproximadamente 362 000 pies o 110 km altitud.

No importa cómo lo mires, de 1,5 km/s o 2,4 km/s a 7,4 km/s es un largo camino por recorrer, y especialmente en el caso de TWR = 1,536, todavía tenemos una buena distancia por escalar.

Como consecuencia, en estos puntos, el Space Shuttle Orbiter es un proyectil balístico no guiado y sin motor en su camino de regreso al suelo.