Причина использования SRB в том, что стек весит около 4,4 миллиона фунтов.

Два SRB обеспечивают около 2,8 миллиона фунтов тяги каждый. Три SSME обеспечивают около 600 КБ каждый.

Если вычесть 5,6 миллиона фунтов тяги, а каждый SRB весит 1,3 миллиона фунтов, то оставшийся стек, чуть более 1,8 миллиона фунтов, имеет только 1,18 миллиона фунтов тяги.

Таким образом, он будет сидеть точно там, где он есть, сжигая топливо, разрушая стартовую площадку, пока SSME не сожгут достаточное количество LOX/LH2, чтобы снизить общую массу стека примерно до 1,18 миллиона фунтов, после чего он начнет движение. Но тогда не хватает импульса, чтобы выйти на орбиту.

TL;DR

Без SRB, сохраняя отношение тяги к массе реального стека при воспламенении, у вас заканчивается топливо примерно через 167 секунд (если мы сохраняем профиль полета реального стека) со скоростью около 1,4 км / с и высотой около 70 км.

Без SRB, с начальным отношением тяги к весу, равным 1, у вас заканчивается топливо примерно через 289 секунд при (если мы сохраняем профиль полета реального стека) скорости около 2,4 км/с и высоте около 100 км.

Чтобы выйти на стабильную низкую околоземную орбиту, вам потребуется около 7,4 км/с на высоте примерно 110 км.

Несколько точек данных

• Орбитальный аппарат (в частности, OV-105) имел пустую массу 68 585 кг (68,6 Мг) или 110 000 кг (110 Мг) при старте .
• Сверхлегкий внешний бак имел пустой вес 26 500 кг (26,5 мг) или 756 000 кг (756 мг) при полной заправке .
• Таким образом, орбитальный аппарат плюс сверхлегкий внешний бак имеют общий пустой вес 95,1 Мг.
• Орбитальный корабль (снова OV-105) с тремя главными двигателями обеспечивал тягу по 1752 кН каждый (при работе на 104% на уровне моря), что в сумме составляло 5255 кН или 536 Мгс только на SSME.
• Два твердотопливных ускорителя (SRB) при старте имели массу 571 Мг каждый и создавали тягу 12 500 кН или 1274 Мгс каждый.

Общие предположения

Учитывая, что SSME сожгли 629 340 кг LOX и 106 261 кг LH2 за 480 секунд нормального подъема, скорость сжигания составляет около 1,3 Мг/с LOX и 0,22 Мг/с LH2. Мы также видим, что отношение массового расхода LOX к LH2 составляет около 5,92:1, т.к.$\frac{629\,340}{106\,261} \approx \frac{5.92}{1}$.

Для простоты я не допускаю никакой полезной нагрузки. В этом сценарии, если вы хотите нести полезную нагрузку, это обязательно уменьшит количество топлива, которое вы можете доставить, потому что вы в основном переносите взлетную массу с топлива (которое вам нужно, чтобы оторваться от земли) на двигатель. обеспокоен, мертвый груз.

Реальный случай: отношение тяги к массе при запуске такое же, как у обычного космического корабля "Шаттл", включая SRB.

Для обычного космического корабля "Шаттл", включая внешний бак и SRB, общая тяга, обеспечиваемая всеми пятью двигателями (три главных двигателя плюс два SRB), составляет$3 \times 1\,752 + 2 \times 12\,500 = 30\,255$кН или около 3085 Мгс при старте. При этом полная масса полностью снаряженного космического корабля составляет$110 + 756 + 2 \times 571 = 2\,008$мг. Это дает отношение тяги к весу (TWR)$\frac{3\,085}{2\,008} \approx 1.536$в момент зажигания.

Поскольку без SRB мы имеем тягу 536 Мгс, мы можем учесть$\frac{536}{1.536} \approx 349$Мг полной взлетной массы при сохранении тяговооруженности. Вычитая вес пустого орбитального аппарата и SLET, остается около 254 Мг, которые мы можем использовать в качестве топлива.

Сохраняя соотношение LOX/LH2 5,92:1, мы можем загрузить около 36,7 Мг LH2 и 217 Мг LOX.

При сжигании 1,3 Мг/с LOX и 0,22 Мг/с LH2 эта топливная загрузка длится$\frac{217}{1.3} \approx \frac{36.7}{0.22} \approx 167$секунды. Следовательно, у нас заканчивается бензин примерно через 167 секунд.

Абсолютно лучший теоретический случай: отношение тяги к весу = 1 при воспламенении.

Поскольку орбитальный аппарат плюс внешний бак без какой-либо полезной нагрузки весит 95 Мг, а у вас есть тяга 536 Мгс, у вас остается около 440 Мг, которые вы можете использовать в качестве топлива и при этом вообще заставить космический корабль двигаться.

Сохраняя соотношение массового расхода LOX/LH2 таким же, в 440 Мг мы можем заполнить ET примерно 376 Мг LOX и 63,6 Мг LH2 ($376 \approx 63.6 \times 5.92$). Если предположить, что массовый расход не изменится при этой более низкой начальной массе, эта топливная загрузка будет исчерпана через 289 секунд, плюс-минус доля секунды или около того.

Обратите внимание, что для этой конфигурации потребуются совершенно другие средства запуска, чтобы предотвратить разрушение космического корабля отраженной энергией до того, как он успеет достаточно набрать высоту, чтобы это не было серьезной проблемой. Но поскольку космический шаттл без SRB уже является космическим кораблем, совершенно отличным от того, что у нас было, я думаю, можно с уверенностью сказать, что мы также можем настроить средства запуска, чтобы приспособиться к другой конструкции космического корабля.

Где это оставляет нас?

Я не смог найти хорошего официального графика НАСА для зависимости высоты от времени для космического корабля "Шаттл" (если кто-нибудь знает такой, пожалуйста, прокомментируйте!), но скорость относительно времени была проще.

Это сообщение на форуме xkcd от davidstarlingm ссылается на пресс-кит NASA STS-30 , в котором среди нескольких других примечательных точек траектории указывается «Отрицательный возврат» в 238 секунд со скоростью 6915 футов/с, что чуть меньше 2108 м/с. и высота около 319 000 футов или 97 км. Хотя я сомневаюсь, что реальная кривая так хороша (принимая во внимание, например, что дросселирование двигателя в конце подъема для поддержания максимального ускорения 3 G должно привести к более S-образной кривой), глядя на график зависимости скорости от времени. и функция, описывающая доступные точки данных:

помещает скорость космического челнока около 290-секундной отметки где-то около 8000 футов / с или 2400 м / с. Это теоретически наилучший случай, когда мы начали с TWR = 1. В качестве быстрого приближения, сегодня мы действительно добрались до космоса с точки зрения высоты; линия Кармана находится на высоте 100 км, и мы, по крайней мере, преодолели высоту 97 км за некоторое время до того, как наши двигатели остановились из-за выработки топлива.

В более реалистичном случае, при сохранении TWR исходного стека = 1,536 при Т-0, через 167 секунд скорость космического корабля составляет около 5000 футов/с или 1500 м/с. В то же время вы находитесь примерно на полпути между постановкой SRB реального космического корабля на 125 секундах (высота 153 405 футов в случае STS-30) и отрицательным возвратом на 238 секундах (STS-30: высота 319 008 футов), поэтому давайте разделим разницу. и назовем это 236 200 футов или 72 км. В этом случае мы далеки от космоса.

Сравните их с реальной траекторией STS-30, которая была достигнута с отключением главных двигателей (MECO) через 511 секунд (так что на самом деле это несколько дольше) и скоростью 24 286 футов / с (7,4 км / с) на высоте около 362 000 футов или 110 км. высота.

Неважно, как вы это нарежете, от 1,5 км/с или 2,4 км/с до 7,4 км/с — это довольно долгий путь, и особенно в случае TWR = 1,536 нам еще предстоит набрать изрядное расстояние.

Как следствие, в этих точках орбитальный корабль космического корабля представляет собой неуправляемый баллистический снаряд без двигателя, возвращающийся к земле.