¿Qué tan grande es un tanque externo para reemplazar los SRB del transbordador con más LH2 y LO2?

El transbordador espacial ascendió utilizando dos tipos de propulsión: (1) hidrógeno líquido y oxígeno almacenados en el tanque externo y quemados en los motores principales del orbitador, y (2) los propulsores de cohetes sólidos.

Como se señaló en esta respuesta , LH2/LO2 tiene muchas ventajas teóricas : alto impulso específico (por lo tanto, un mayor delta v), alta relación empuje-peso y baja masa del escape.

Supongamos que rediseñamos la pila del transbordador para quitar los SRB y expandir el tanque externo, de modo que toda la propulsión fuera LH2/LO2. Esto sin duda ahorraría peso. Sin embargo, ¿cuánto volumen ocuparía el nuevo tanque externo?

Si su respuesta depende de aumentar la cantidad de motores principales, especifique sus suposiciones en su respuesta (*1). Además, solo estamos reemplazando la propulsión para el ascenso ; el OMS y RCS deben permanecer sin cambios.

Bonificación: sospecho que un transbordador de este tipo ya no cabría en el edificio de ensamblaje de vehículos. Compare su volumen con el del VAB u otra estructura/edificio familiar para una persona promedio. Aquí hay algunos que podrías usar:

También relacionado: ¿En qué se habría diferenciado el Saturn V si la primera etapa también fuera LH2/LOX?

Aclaración

Debí haber sido más claro con la oración (*1). La nave espacial ciertamente no despegará con solo los 3 SSME. Para que funcione, es necesario que haya más motores o diferentes motores (o ambos). El tanque tendría que ser rediseñado, y probablemente también el orbitador. Dejo que la persona que responde decida cuánto quiere molestarse en cambiar para llegar a una estimación. Sin embargo, incluya sus suposiciones en su respuesta.

Compare el empuje SSME y SRB... o mire Buran/Energia. Si desea cambiar poco en el transbordador, tendrá que convertir el tanque externo en un cohete bastante poderoso.
O simplemente SSME y Merlin 1D T/W. El SSME obtiene 73,1, el Merlin 1D obtiene 179,8 (a partir de los últimos números disponibles). Los sistemas LOX/LH2 tienen relaciones T/W relativamente bajas debido a que tienen caudales másicos más bajos (debido a la baja densidad de LH2), razón por la cual casi siempre usan impulsores.
Si quita los SRB y expande el tanque externo, el transbordador no podrá despegar. El empuje de los 3 motores de combustible líquido es demasiado bajo. Pero no queda espacio para más motores. Se necesita un transbordador muy diferente para montar más motores. Simplemente compare el empuje de los SRB con el de los motores criogénicos.
@ChristopherJamesHuff T/W del motor realmente no importa mucho; T/W de la etapa cargada es crítico. Puede usar hidrógeno en la primera etapa sin refuerzos sólidos (por ejemplo, Delta IV Heavy); es voluminoso y caro.
@RussellBorogove: No dije que no se pudiera hacer, pero el hecho es que los vehículos alimentados con LH2 casi siempre usan propulsores para compensar su pobre empuje. La "alta relación empuje-peso" simplemente no es un beneficio del combustible de hidrógeno líquido, es uno de los factores que los diseños de LH2 compensan por un mayor impulso específico.

Respuestas (1)

Todos los números son de wikipedia a menos que se indique lo contrario.

Entonces, la masa del transbordador en el momento del despegue es de alrededor de 109 toneladas. La masa seca del tanque externo es de 26,5 toneladas y transporta alrededor de 735 toneladas de combustible y comburente.

Entonces, supongamos (muy) con optimismo que la ley del cuadrado-cubo funciona perfectamente y que podemos escalar el tanque por un factor de s aumentar la capacidad de acuerdo con s 3 y la masa del tanque en línea con s 2 .

Ahora, el motor principal de un transbordador espacial tiene un yo s pag de 452 segundos en vacío. Entonces, para lograr el delta-V mínimo a la órbita terrestre baja de aproximadamente 9.4 k metro / s la ecuacion del cohete

Δ v = gramo yo s pag en ⁡ metro 0 metro F
nos dice que necesitamos una relación de masa de al menos 8.3 .

Bajo nuestras suposiciones muy optimistas, la relación de masa es

1 + 735 ∗ s 3 26 ∗ s 2 + 109
y esto en realidad es igual a 8.3 cuando s = 1.12 sugiriendo que solo una pequeña ampliación sería suficiente. Tal escala da una masa de despegue de poco menos de 1200 toneladas.

Sin embargo, el empuje a nivel del mar del motor principal de un transbordador espacial es de solo 1.8MN, por lo que necesitamos al menos 7 de ellos para levantar esta pila de la plataforma, probablemente 8 o 9 si queremos una aceleración significativa. Eso agrega al menos 20 toneladas de masa, solo para los motores, ignorando el aumento necesario en el tamaño del orbitador, la estructura de carga adicional, etc. Volver a ejecutar con los 20 tonos adicionales nos lleva s de 1.18, elevando la masa total de lanzamiento a casi 1400 toneladas y requiriendo aún más motores.

Si queremos un empuje al peso de 1,25 en el despegue, con norte engnes, en realidad podemos decir que necesitaremos

180 norte = 1.25 ∗ ( 735 s 3 + 26.5 s 2 + 97 + 4 norte )
y ya sabemos que necesitamos

7.3 = 735 s 3 / ( 36.5 s 2 + 97 + 4 norte )

Que tiene una solución con 12 motores y s alrededor de 1,25. Así que hemos metido 9 motores más en el transbordador en alguna parte, y hemos aumentado la escala del tanque en aproximadamente un 25% en cada dirección (casi duplicando su volumen y masa). En este punto, nuestra suposición de que la estructura del orbitador y las estructuras que lo conectan al tanque no han aumentado en masa está empezando a parecer un poco dudosa.

Tampoco hemos tenido en cuenta el hecho de que el yo s pag del motor principal de un transbordador espacial es mucho menor al nivel del mar (366 frente a 452 en el vacío), por lo que probablemente necesitemos una relación de masa aún mayor, especialmente si nuestra relación de empuje a peso de lanzamiento no es mucho más de 1 (ya que gastaremos más tiempo en aire denso).

En pocas palabras, es probable que esto nunca funcione. el hidrógeno es un gran combustible una vez que estás despegado y en el vacío, pero no es tan bueno para la primera etapa del lanzamiento.

...lo que hace que uno se pregunte sobre la viabilidad de los refuerzos RP-1/LOX en lugar de los SRB, y si los SRB tenían una ventaja puramente tecnológica/de costo o si se eligieron los SRB porque ayudaron a mantener a Thiokol en el negocio de los refuerzos.
@Steve: si entiendo su respuesta correctamente, el volumen sería 1,25 ^ 3 = 1,95 veces lo que realmente era. ¿Crees que podrías agregar eso a tu respuesta?
@AnthonyX: idea interesante, particularmente si uno pudiera usar los mismos motores y simplemente cambiar el combustible de RP-1 a LH2. Esto requeriría 3 tanques (RP-1, LH2, LOX) y probablemente volver a encender los motores. Mmm.
@AnthonyX hubo una serie de propuestas para reemplazar los SRB con refuerzos líquidos. Algunos incluso eran propulsores flyback. Uno llegó lo suficientemente lejos en los años 90 que se nos pidió que diésemos estimaciones generales de los impactos de modelarlos en los simuladores de entrenamiento, pero nunca salió nada.
@AnthonyX El empuje de uno de los SRB era casi el mismo que el de un par de motores de queroseno F-1 que se usaban en el Saturn V. Dichos impulsores habrían sido factibles, pero creo que los SRB eran más baratos tanto en desarrollo como en producción. Las propuestas posteriores mencionadas por Organic Marble asumieron el uso de un motor de queroseno de combustión por etapas de impulso específico más alto como el RD-180.
Conclusiones: el problema final no es el volumen: se necesita aproximadamente el doble, y toda la pila aún cabría dentro del VAB. Necesitaría una gran cantidad de motores (12 SSME), motores no diseñados para LH2 (F1) o motores no disponibles en la era del transbordador (Merlin). A pesar de la complejidad adicional, el uso de un combustible diferente en la atmósfera inferior (RP-1/queroseno) requiere menos motores en general.
¿Qué tan grande es un tanque externo para reemplazar los SRB del transbordador con más LH2 y LO2?
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