¿Por qué IspIspI_\text{sp} en un escenario superior es tan importante?

Cuando compara la etapa superior de un Atlas 5/Delta 4, que usa un motor de etapa superior RL-10 con una etapa superior Falcon 9 que usa una versión Merlin 1D Vac, ve diferencias de rendimiento realmente grandes.

El RL-10 es un motor LOX/LH2 de gran impulso específico ( yo sp de 430-450 s dependiendo de la versión) pero un empuje de mierda de solo 20-25 Klbs.

El Merlin 1D vac es un motor LOX/RP1 con regular yo sp (aunque bueno para RP-1) a 304 s, pero mucho mejor empuje a 180 Klbs.

Sin embargo, el RL-10 se considera una etapa superior mucho mejor que un Merlin 1D.

Claro, eso es bastante grande. yo sp brecha (25% más para RL-10), pero con mucho más empuje (8-9 veces más para Merlin), parece que no debería ser un gran problema.

Entiendo que yo sp es una medida de eficiencia, en términos de cuántos segundos de 'uso' obtiene por unidad de combustible. Así, un RL-10 es un 25 % más eficiente que un Merlin 1D. Pero mientras lleve suficiente combustible/oxidante y tenga el empuje, ¿por qué los valores de empuje diferentes de 8-9 veces importan más?

En última instancia, esta es probablemente una pregunta de por qué yo sp importa tanto en este contexto?

Este es solo otro ejemplo de la tiranía de la ecuación del cohete. Ya has quemado mucho combustible para llevar esa libra de propulsor hasta allí.
Sí. La etapa superior y su propulsor le están costando porque necesita una primera etapa con suficiente propulsor para subirlos lo suficientemente alto y rápido. Una vez que está fuera de la resistencia atmosférica significativa y es lo suficientemente rápido como para evitar el reingreso inmediato, el tiempo que lleva ingresar a la órbita deseada no cuesta tanto. Sin embargo, la masa de la etapa superior todavía le cuesta capacidad de carga útil; un cohete más eficiente significa más carga útil para la misma masa combinada de etapa superior + carga útil (es decir, el material que debe impulsar la primera etapa).

Respuestas (2)

La masa requerida para entregar el requerido Δ V depende del I sp y de la relación de masa seca de la etapa. No depende del empuje, excepto en la medida en que un empuje alto aumentaría la masa requerida debido a un motor y alimentaciones grandes. Para un Isp dado , el empuje solo determina cuánto tiempo lleva usar todo el propulsor. Para una etapa superior, no tienes tanta prisa como para las etapas inferiores. Ya estás en una trayectoria que te da algo de tiempo en el vacío para completar tu inserción en la órbita. Una vez en órbita, tiene todo el tiempo del mundo para la próxima quema de la etapa superior, si la hay, para ir a una órbita diferente o escapar.

Solo necesita suficiente empuje para quemar antes de comenzar a retroceder, si está completando una inserción en órbita. Para la próxima quema, necesita suficiente empuje para que la quema se pueda completar antes de que se gane mucha altitud, para maximizar el efecto Oberth (más Δ energía por unidad Δ V ). Más empuje que eso no ayuda a una etapa superior. Simplemente duele con más masa que no se necesita.

La alta confianza tiene una ligera ventaja; Obtiene una combustión más eficiente si puede consentirla en un solo instante. (Pero este efecto es, por supuesto, muy leve en comparación con un 25% yo s pags )
"Para la próxima quema, necesita suficiente empuje para que la quema se pueda completar antes de que se gane mucha altitud, para maximizar el efecto Oberth", e incluso eso es solo conveniencia, ya que la quema de transferencia se puede dividir en varias quemas más pequeñas. cerca de apoapsis, o con motores ISp extremos, simplemente ignora las pérdidas y se aleja en espiral.
Te refieres al periapsis, pero sí.
@MarkAdler: Sí, periapsis. Yo mal.

La primera parte del perfil de ascenso es casi vertical para salir lo antes posible de la espesa atmósfera.

Al acelerar verticalmente, la nave sufre pérdida de gravedad:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Cada 102 segundos gastados en ascenso vertical te da un golpe de pérdida de gravedad de 1 km/s.

Es deseable reducir el tiempo de ascenso vertical para minimizar la pérdida de gravedad. La rapidez con la que un barco se eleva por encima de la atmósfera está relacionada con la relación empuje-peso, también conocido como T/W.

Si el empuje del cohete es exactamente igual a la gravedad, 9,8 metros/seg^2, T/W=1 y el cohete flota. Un gran T/W ayuda al barco a ascender más rápido.

En general, un mejor ISP significa menos empuje. Los motores de iones tienen un ISP fantástico pero un empuje minúsculo.

Así que no es realmente una cuestión de que la etapa superior necesite más ISP. Queremos un buen ISP para todas las etapas. Pero la etapa de refuerzo necesita más empuje.

"Cada 102 segundos gastados en ascenso vertical te da una pérdida de gravedad de 1 km/s". - ¡Esa es una figura evocadora que muestra cuán costosa es realmente la resistencia a la gravedad!
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