¿Por qué Saturno V y los cohetes lunares soviéticos N-1 no se hicieron más grandes para simplificar las misiones lunares?

Durante las misiones Apolo, el módulo de aterrizaje lunar se separó, dio la vuelta y se acopló durante el vuelo. Y el módulo de mando se quedó en órbita lunar durante la misión de superficie. Los soviéticos planearon que el único cosmonauta que aterrizara en la superficie hiciera una caminata espacial entre el módulo orbital tipo Soyuz y el módulo de aterrizaje.

¿Es correcto decir que ambos diseños de misión fueron compromisos porque los lanzadores eran un poco demasiado pequeños para un lanzamiento directo desde la Tierra a la superficie lunar? ¿O quizás fue una elección deliberada después de todo, quizás para ganar tiempo en la competitiva carrera espacial?

¿Por qué no se diseñaron los lanzadores para que fueran más grandes para simplificar las misiones lunares? ¿Cuánto más grandes tendrían que haber sido, 10%? 20%? ¿Eran tal vez tan grandes como era factible construir lanzadores en la década de 1960, o durante el proceso de desarrollo no pudieron alcanzar las especificaciones iniciales? ¿Está SLS Block II diseñado para realizar un lanzamiento directo de astronautas a la Luna sin acoplamientos ni EVA?

ingrese la descripción de la imagen aquí Imagen de SpaceIsThePlace . Un modelo de los dos cosmonautas transfiriendo una caja con rocas lunares desde el módulo de aterrizaje lunar a Soyuz.

¿Más grande... para simplificar? Creo que tienes un poco de un salto de pensamiento allí :)
Tal vez la mejor pregunta (sobre la que me he preguntado desde el evento) es por qué no simplificaron al hacer 3 lanzamientos a la órbita terrestre.
@Luaan Hacer cosas más grandes es fácil. Simplemente lo explotas. Inflar como inflar un globo, no como inflar un cohete... (eso es incluso más fácil por cierto).
@LocalFluff: No, no es fácil agrandar las cosas, porque te enfrentas a cosas como la ley del cubo cuadrado y la ecuación del cohete. Es decir, si hace las cosas más grandes, necesita hacerlas más fuertes, lo que significa que necesita hacerlas más pesadas, lo que significa que necesita más combustible para levantar la estructura más pesada, lo que significa que necesita aún más combustible para levantar el combustible. ..
Aterrizar en la luna es fácil. Dejar la Tierra sin explotar es difícil.
@Mazura Aún más fácil si no tienes la intención de sobrevivir al aterrizaje;)
El problema básico con un enfoque de aterrizaje directo es que necesitas aterrizar en la luna con suficiente de todo para poder llevar a los astronautas de regreso a la tierra. Eso significa que el módulo de aterrizaje lunar tenía que ser mucho más grande que uno que solo tenía que volver a la órbita lunar. Mucho, mucho más grande, ya que tendría que transportar el combustible y el soporte vital para el viaje de regreso a la luna y volver a salir, lo que requeriría mucho combustible adicional.
@Luaan, he trabajado en motores de automóviles grandes y pequeños del siglo XX (conozco un gran alcance de los cohetes) y los grandes que tenían acceso a un enorme tanque de propulsor, tenían mucha potencia y no ofrecían disculpas, generalmente eran más simples que los pequeños los que intentaban exprimir todo lo que podían de un tanque más pequeño de propulsor. Los tanques, motores y armazones más grandes eran de hecho más simples. No eran más baratos, ni más fáciles de justificar económicamente, pero tampoco eran más complejos.

Respuestas (7)

Para usar el método de ascenso directo para aterrizar en la luna, que es donde todo el vehículo desciende y sale de la luna, necesitarías un cohete un orden de magnitud más grande que el Saturno V, no solo un poco más grande.

Aquí hay una comparación inicial que hizo la NASA antes de que decidieran usar Lunar Orbit Rendezvous :

Comparación de cohetes Nova

El C1 se convirtió en el Saturn I, el C-5 se convirtió en el Saturn V, el Nova nunca salió del tablero de dibujo porque iba a ser muy costoso y difícil de construir considerando que con LOR se podía hacer por mucho menos.

Aquí hay un buen artículo sobre la historia del cohete Nova . Aquí hay un extracto:

Nova fue el último vehículo de lanzamiento de la NASA, estudiado intensamente desde 1959 hasta 1962. Originalmente concebido para permitir un aterrizaje tripulado directo en la luna, en su iteración final fue poner una carga útil de un millón de libras en órbita terrestre baja para apoyar expediciones tripuladas a Marte. Fue abandonado en la planificación avanzada de misiones de la NASA a partir de entonces a favor de versiones de crecimiento del Saturno V.

A medida que pasaba el tiempo, el cohete creció y creció y creció hasta convertirse en un verdadero monstruo. Vea algunos de los conceptos en la imagen a continuación, hacen que el Saturno V sea insignificante en comparación.

Nova - Martin Marietta Diseños Avanzados

Básicamente, el programa murió porque no era necesario, no había un plan para una misión tripulada a Marte, que era el único caso de uso para él.

Los conceptos en su foto inferior son para los cohetes posteriores al Apollo Mars que también fueron concebidos bajo el nombre de Nova. El C-8 Nova necesario para el ascenso directo habría sido un 60% -65% más grande que Saturno V, no un "orden de magnitud" más grande.
¿Alguna relación con SeaDragon?
@RussellBorogove ¿SLS Block II permite cualquier otro modo para una misión a la Luna que no sea Apolo? ¿Podría su mayor capacidad permitir que el módulo de aterrizaje Apolo NO tenga que separarse, girarse y acoplarse en vuelo? Permitiendo que el carenado y las estructuras de soporte y el rediseño se acoplen al revés en el lanzamiento. (O tal vez no hay razón para saltarse esa maniobra de giro, ¿tal vez casi no hay inconveniente?)
SLS bloque II a 130 toneladas a LEO no es significativamente más potente que Saturno V a ~ 125 toneladas. La maniobra de transposición, acoplamiento y extracción, como se discutió en una respuesta anterior, es básicamente forzada por el diseño del sistema de escape de lanzamiento de Apolo y, en cualquier caso, si está planeando LOR (la estrategia de eficiencia masiva para el aterrizaje lunar), tiene que tenga confianza en esa maniobra de acoplamiento de todos modos.
@sarahbailey No hay una relación real con Sea Dragon que no sea una carga útil de un millón de libras. Sea Dragon requería un motor enorme de baja presión en cada etapa, los conceptos de Martin Nova disponían muchos motores pequeños en una configuración de boquilla de tapón, etc.

Durante la primera parte del programa Apolo, se favoreció el modo de "ascenso directo" y el encuentro en órbita lunar (LOR) se consideró demasiado complejo. De hecho, las especificaciones del módulo de servicio Apolo fueron establecidas por el plan de ascenso directo: el motor SPS está dimensionado para despegar de la luna y el tanque de combustible es suficiente para el ascenso lunar y el regreso a la Tierra.

El cohete Nova necesario para el ascenso directo habría sido un 60% más pesado que el Saturno V (~4750 toneladas frente a ~2970 toneladas). El desarrollo de ese gran cohete iba a llevar mucho tiempo. El discurso de Kennedy "antes de que terminara la década" fijó una fecha límite para el programa, y ​​Nova tardaría demasiado. El proyecto volvió a analizar LOR, concluyó que era el enfoque más rápido y económico, y decidió comprometerse con él. Esto dio forma al programa Gemini; si la misión lunar requería una cita, la NASA necesitaba aprender a hacerlo.

La fecha límite de Kennedy también estableció efectivamente una fecha límite para el programa espacial soviético, por lo que es probable que la misma lógica los condujera a una estrategia de encuentro. La gran ventaja de LOR es que cuanto más pequeño es el módulo de aterrizaje, se necesita llevar menos combustible para el descenso y el ascenso lunar, y el LK soviético era realmente pequeño y comprometido, transportaba a un hombre en lugar de dos, lo que requería que el tripulante fuera a EVA para abordar. y así.

Valdría la pena mencionar la ecuación del cohete ideal y explicar por qué esto puede hacer que un pequeño aumento en el tamaño de la carga útil resulte en un gran aumento en el tamaño del cohete.
Auhoo. Esto hace que el SLS sea más inútil que... Entonces, ¿solo podría repetir el concepto Apolo con algunos pequeños extras? Es como un zapatero que te ofrece dos pares de zapatos que son la mitad de tu talla. Si el SLS no puede mejorar el concepto de misión lunar de Apolo, entonces mi último intento de tratar de que me guste finalmente se ha ido. Incluso los lanzadores con los que los rusos y los chinos fantasean no son lo suficientemente grandes para el lanzamiento directo. Si tiene que ser un 65% más grande que Saturno V. De repente la distancia a la Luna aumentó en mi mente.
SLS simplemente no está diseñado para el alunizaje de un solo lanzamiento. En caso de que aparezca mágicamente un presupuesto de aterrizaje en la luna, el encuentro en órbita terrestre de dos lanzamientos probablemente sea práctico para una misión de tipo Altair.
... y simplemente no tiene sentido llevar todo el combustible necesario para la transferencia Luna-Tierra hasta la superficie de la Luna y volver a subir. Si tiene la capacidad, es mejor usarla para más carga útil científica y aún así dejar el combustible en órbita. Ya sea en forma de un "módulo de comando", un módulo de propulsión adicional o simplemente un depósito de combustible. El encuentro orbital es actualmente una operación de rutina, por lo que la complejidad no es un gran problema. Pero los costos derivados del mero tamaño son más problemáticos que en los años 70.
@SF .: FTM, podría construir un módulo de aterrizaje lunar duradero y simplemente enviar tanques de combustible de reemplazo a la órbita lunar.
@SF: ¿No se necesita la mayor parte del presupuesto de combustible para llegar desde la superficie de la Luna a la órbita de la Luna? La mayor parte del delta-V requerido para un aterrizaje en la Tierra se puede lograr mediante el frenado aerodinámico. Por supuesto, eso lleva a la 'observación doble de que tampoco desea llevar el escudo térmico a la superficie de la Luna, pero tampoco desea llevar suavemente la etapa de ascenso a la Luna de regreso a la Tierra. Más masa para derribar significa un escudo térmico más grande.
@MSalters: La mayor parte del presupuesto de combustible llega a LEO desde la Tierra. Pero la masa de las últimas etapas es la que más influye en la masa de lanzamiento, y esta es la penúltima, por lo que su influencia es bastante grande.
@SF.: No estoy hablando de la superficie de la Tierra a LEO. Sé que eso es difícil; tienes la mayor masa, alta gravedad y fricción del aire, todo trabajando al unísono. Se trata de las fases posteriores. En particular, la última fase es bastante fácil: poca masa (solo cápsula), la fricción del aire contrarresta la gravedad (aerofrenado), por lo que necesita poco combustible para esa etapa. Y como eso es tan poco, no importa mucho si toma un desvío a través de la superficie lunar.
@MSalters: AFAIK Apollos nunca realizó ningún frenado de la Tierra / quemado de captura, iban a entrar de nuevo directamente desde la trayectoria translunar, y el quemado de salida de la órbita de la Luna tampoco tenía hambre de delta-V. Pero las paredes del módulo de aterrizaje eran literalmente papel de aluminio, mientras que la cápsula de reentrada debe ser bastante resistente, sin importar un pedazo PESADO de escudo térmico. Aterrizar y lanzar ESO desde la Luna requeriría mucho más combustible que el módulo de aterrizaje de papel de aluminio, ¡más que la masa total de la robusta cápsula de reentrada con su escudo térmico!
El ascenso desde la superficie lunar hasta LLO es de unos 1730 m/s; La intercepción entre LLO y la Tierra es de unos 680 m/s. Desde la intercepción, el frenado atmosférico hace el resto. Entonces, el ascenso es la parte más importante, pero TEI es una parte muy importante del presupuesto.

En el lado soviético, el proyecto UR-700/LK-700 de Vladimir Chelomey habría utilizado un perfil de misión de ascenso directo. El UR-700 tenía 76 metros de alto y 17,5 metros de ancho en la base; se hubiera visto algo como esto:

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(de izquierda a derecha: N-1, Saturno V, UR-700)

No se hizo mucho trabajo de diseño en el UR-700, pero hubo problemas para desarrollar los motores RD-270 de alto empuje que impulsaban todo el conjunto. Terminó superponiéndose demasiado con el proyecto N-1 ya existente y nunca recibió más desarrollo.

¡Es curioso lo mucho que se parece al diseño de un cohete Kerbal-Space-Program, con muchos cohetes cilíndricos conectados entre sí!
Los strap-ons en el escenario inferior se derivan de los componentes Proton (también conocido como UR-500); parte del argumento de Chelomey para el UR-700 fue que podía probar gradualmente partes del UR-700 en cohetes más pequeños.
@DylanSp: Además, muévalos a los ferrocarriles.
@ DylanSp ¿Para qué sirven los tramos de celosía abierta de la N-1? ¿No agregarían arrastre y turbulencia?
@BlokeDownThePub Eso suena como una buena pregunta de seguimiento.
@BlokeDownThePub: elimina la necesidad de motores vacíos; comience la siguiente etapa antes de que se apague la etapa anterior, permita que las llamas pasen a través de la celosía, la separación se produce con la siguiente etapa en marcha.
@PeterCordes Me registré para comentar lo mismo jaja!
@PeterCordes: Incluso se planeó usar una puesta en escena de espárragos, al estilo Kerbal.

No es ciencia espacial, bueno, en realidad, es ciencia espacial. Los cohetes no son nada eficientes y lo peor es que para llevar algo útil, tienen que llevar el combustible para empujar la parte útil, luego tienen que llevar el combustible para llevar el combustible para empujar la parte útil y así sucesivamente. Saturno V tenía unas tres mil toneladas en el despegue y pudo empujar 45 toneladas hacia la luna, por lo que solo alrededor del 1,5% del peso de despegue salió de la tierra hacia la luna. Para aumentar el módulo de aterrizaje lunar a 50 toneladas, Saturno V tendría que haber aumentado a casi 4.000 toneladas. La cápsula espacial Apolo 17 que recogieron del Pacífico probablemente no pesaba mucho más de tres toneladas, dando una eficiencia total del 0,1%.

Había otro argumento en contra del modo de ascenso directo. Un cohete muy grande y complejo debe aterrizar y comenzar en y desde la superficie lunar. Pero cohetes de este tamaño requerirían en tierra una plataforma de lanzamiento, una torre de salida, conexiones a una sala de control, una cuenta regresiva con muchos pasos y mucho personal. Pero los motores de cohetes del módulo de servicio y el módulo lunar utilizados para el modo de encuentro lunar podrían construirse de manera muy simple y confiable. No se necesitan turbobombas, no se necesitan generadores de gas, solo nitrógeno comprimido de los tanques para la presurización de los propulsores. Estos motores podrían encenderse en gravedad cero. El combustible hipergólico hizo posible un reinicio ilimitado.

Compare el trabajo adicional para construir un cohete más grande (y no olvide que los costos tienen la fea tendencia a exponencializarse, gracias a nuestro buen amigo, la ecuación de Tsiolkovski) con unas pocas horas para el acoplamiento. Los cohetes no son baratos.

Lo más importante a considerar es que debe atracar de todos modos, para que la tripulación lunar regrese de la Luna. Así que no estás ahorrando nada más que esas pocas horas; todo el equipo de acoplamiento requerido todavía se requiere con un cohete más grande. A menos que esté considerando tener el módulo de aterrizaje lo suficientemente potente como para aterrizar, ascender y volar de regreso a la Tierra y aterrizar allí. En cuyo caso, consulte el párrafo uno: absurdamente caro.

Los soviéticos no usaron el acoplamiento. Pero esto no fue porque pensaran que el acoplamiento no es deseable, sino porque simplemente no podían hacerlo. No tenían la capacidad. Entonces, en cambio, se esperaba que su astronauta hiciera una caminata espacial, y no pudieron explotar el (resto del) módulo de aterrizaje para el viaje de ida y vuelta.

Tenga en cuenta que incluso con toda la tecnología moderna que tenemos ahora, todavía usamos el mismo enfoque básico. El transbordador espacial seguía siendo un cohete por etapas, aunque la parte que regresaba a la Tierra era considerablemente más grande que cualquier intento anterior. Los cohetes privados modernos experimentan mucho con la recuperación de las etapas gastadas, pero aún usan los mismos enfoques básicos de puesta en escena. Esto se debe a que nuestros motores son terriblemente ineficientes, lo que además de tener que transportar combustible para transportar combustible significa que los costos de peso adicional no escalan muy bien: tendemos a usar el cohete más pequeño posible para la tarea en cuestión. Utiliza un cohete grande para salir de la resistencia atmosférica, un cohete más pequeño para hacer el resto del viaje (y la velocidad) hasta la órbita, un cohete más pequeño aún para circularizar su órbita o iniciar una inyección,

El plan de ascenso directo del Nova no requería ninguna maniobra de atraque; el módulo de comando con su tripulación de tres habría aterrizado como parte de un vehículo de dos etapas sin nada en órbita lunar.
@RussellBorogove ... y el Nova fue descartado porque simplemente no valía la pena. No veo cómo eso invalida lo que he dicho :)
@Luaan: invalida la primera oración en su segundo párrafo. El plan Nova no "necesitaba atracar de todos modos".
@TonyK "A menos que esté considerando ..." Si desea evitar el acoplamiento por completo, necesita un cohete ridículamente grande. De hecho, el plan original de la misión Nova no solo era demasiado grande para el cohete Nova planificado, sino que habría requerido acoplar 15 lanzamientos separados en órbita utilizando el diseño de Saturno de la época. Consideraron motores nucleares para obtener el delta-V requerido (excepto para el ascenso de la Tierra, por supuesto) y otras tecnologías complejas y no probadas (como aerospikes), sin mencionar que era demasiado grande para las fábricas existentes. Solo estoy señalando que el OP está subestimando severamente los costos.
¿De qué estás hablando? La misión lunar Nova habría sido un solo lanzamiento, ascenso directo, sin acoplamiento, sin bomba nuclear, utilizando un cohete basado en el concepto Nova 8L. Un solo lanzador de ~ 4800 toneladas, ~ 180 toneladas a LEO, podría aterrizar una etapa de descenso lunar Apollo CM / SM +. astronautix.com/n/nova8l.html La estrategia de lanzamiento 15-Saturno-I fue una locura y no duró más allá de 1959.
El transbordador espacial tiene una parte más grande que regresa: está bien, pero solo subió unos meros 500 km y se mantuvo muy por debajo de la velocidad de escape (= energía). Entonces, ese bit más grande no es indicativo de una mejor tecnología.
@Roland Sí, ese era el objetivo. Se suponía que iba a ser un transbordador barato para ponerlo en órbita; no funcionó como estaba planeado :)

Durante las misiones Apolo, el módulo de aterrizaje lunar se separó, dio la vuelta y se acopló durante el vuelo.

Este punto realmente no ha sido abordado por ninguna de las otras respuestas.

A diferencia de la separación para aterrizar el módulo de aterrizaje, y luego el acoplamiento posterior para recuperar a la tripulación, hay una razón bastante simple para esta maniobra.

El módulo de comando debe estar en la parte superior de la pila en el lanzamiento, ya que no hay otra forma de tener un sistema de cancelación que funcione. Esto significa que no puede colocar previamente el módulo de aterrizaje en la parte superior del cohete. Del mismo modo, tampoco se puede arrastrar detrás, porque el cohete de la etapa final está detrás de la cápsula de comando, y

  1. no puedes transferir tripulación a través del cohete
  2. disparar el motor del cohete al módulo de aterrizaje no es deseable

Eso deja que la única opción viable sea tener el módulo de aterrizaje debajo (detrás) de la cápsula de comando en el lanzamiento, pero moverlo para que esté al frente una vez que ya no se necesite el sistema de cancelación, que es la operación descrita en la Pregunta.

Un cohete más grande no permitiría eliminar este paso.

Si se usara un cohete mucho más grande para un ascenso directo desde la superficie lunar, no se usa un módulo de aterrizaje separado. La cápsula de comando aterrizaría en la luna.
@Uwe bueno, estaba tratando de abordar la parte tan complicada de la pregunta, que sentí que estaba subrepresentada por las otras respuestas. Hacen la parte de ascenso directo lo suficientemente bien como para no tener que repetirlos. Quería señalar que la escala por sí sola no es la causa de la complejidad (aunque aterrizar la cápsula de una sola vez lo resolvería). para pensamientos generales de "por qué no un cohete más grande", youtu.be/Sfc2Jg1gkKA también responde esa pregunta bastante bien.
¿Por qué Saturno V y los cohetes lunares soviéticos N-1 no se hicieron más grandes para simplificar las misiones lunares?
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