¿Por qué Falcon Heavy puede traer 4,2 veces más masa a Marte que F9, pero solo 2,7 veces más a LEO?

La etapa final de un cohete tiene que levantar no solo la carga útil sino también a sí mismo. Entonces, no miremos solo la masa de la carga útil, sino la masa total elevada a la órbita final.

Según http://www.spaceflightinsider.com/hangar/falcon/ la masa en vacío de la segunda etapa es de 3.900 kg. Vamos a agregar que los números en la tabla.

Si sumamos la masa de la etapa final a los números de su tabla, obtenemos.

Payload + 2nd stage Falcon Heavy   Falcon 9    Ratio
LEO (28,5°)          67.700 kg   26,700 kg    2.54
GTO (27°)            30,600 kg   12,200 kg    2.50
Mars                 20,700 kg    7,920 kg    2.61

Lo suficientemente cerca de lo mismo.

Si todo lo demás es igual (por ejemplo, la elección del propulsor), las trayectorias de mayor energía favorecen un cohete con más etapas.

Un experimento mental que puede ayudarlo a comprender esto es considerar dos misiones lanzadas en cohetes idénticos, la primera a LEO y la segunda a una trayectoria interplanetaria. Ambas misiones tienen cargas útiles dimensionadas para "maximizar" la capacidad del vehículo de lanzamiento. Obviamente, la segunda carga útil tendrá que ser mucho más ligera que la primera, pero tenga en cuenta que la segunda carga útil es, por lo tanto, una fracción mucho menor de la masa seca de la etapa superior. Recuerde que la etapa superior debe terminar en la misma trayectoria que la carga útil, por lo que la segunda misión es menos "eficiente" porque la mayor parte del trabajo que realiza la etapa superior es simplemente acelerar su propia masa en lugar de la carga útil.

Si estuviera limitado a la misma masa total del vehículo, estaría mejor con una segunda etapa más pequeña y agregando una tercera etapa. De esa manera, la masa de la etapa superior se adaptará mejor a la masa de la carga útil, por lo que se desperdiciará menos trabajo. Es casi como una transferencia de potencia de impedancia igualada .

Entonces, ¿cómo se relaciona esto con el Falcon Heavy? Esencialmente, la adición de refuerzos adicionales convierte al sistema en un cohete de 3 etapas. El núcleo central se estrangula durante el vuelo de la primera etapa, por lo que todavía le queda bastante propulsor cuando los propulsores laterales se vacían y se separan. El núcleo central se quema durante un tiempo más (efectivamente, el vuelo de la segunda etapa, porque has tirado la masa muerta de los propulsores laterales vacíos), luego también se separa y la etapa superior se hace cargo. Esto significa que la etapa superior del Heavy es responsable de una fracción más pequeña de la energía total entregada (o la velocidad añadida) en comparación con la etapa superior del F9. Entonces, por las razones descritas anteriormente, el Heavy como vehículo es más eficiente en la entrega de cargas útiles a trayectorias de alta energía que el F9.

Moverse una vez en órbita es mucho más fácil que poner algo en órbita. El único problema con esto es poner en órbita otra etapa o incluso una etapa más grande primero para permitir que las cantidades de combustible lleguen a Marte. Las 40 toneladas adicionales a LEO del Falcon Heavy le permiten poner en órbita esta etapa adicional / etapa más grande que luego puede usar para llegar a Marte. Para que el Falcon 9 lleve algo a Marte, también necesitaría esta etapa extra/más grande para llegar a la órbita; sin embargo, la capacidad de elevación de solo 9 motores Merlin daría como resultado un lanzamiento a la órbita extremadamente ineficiente debido a que la primera etapa quemaba mucho combustible adicional. para poner en órbita la etapa extra/más grande. Esto daría como resultado que la etapa extra/más grande use más de su propio combustible para llegar a la órbita y, por lo tanto, le quedaría menos fuerza neta para empujar la carga útil a Marte.