Какова будет конфигурация и производительность Saturn V со всеми ступенями RP-1/LOX?

Если мы оставим загруженные массы трех ступеней « Сатурн -5 » постоянными, но переключимся на керосиновые баки, двигатели и топливо для верхних ступеней, мы получим ракету, которая может доставить около 55 тонн на НОО и 9 тонн на окололунную орбиту, а не на Луну. достаточно для посадки с экипажем, но, безусловно, достаточно для пролета и, возможно, полета на лунную орбиту с экипажем. Два запуска и рандеву на околоземной орбите могли бы стать голыми костями, миссия посадочного модуля Союз/ЛК, а три запуска и EOR, вероятно, могли бы осуществить миссию Аполлон CSM/LM.

Первая ступень остается 5-двигательной S-IC , 2148 тонн топлива, 132 тонны сухого топлива.

Вторая ступень будет иметь 447 тонн топлива, 34 тонны сухого топлива, 1 двигатель F-1 .

Третья ступень будет состоять из 106-тонного топлива, 9-тонного сухого топлива, 1 двигателя H-1 .

Для транслунного полета третья ступень H-1 должна быть модифицирована, чтобы обеспечить возможность перезапуска; он сгорит один раз, чтобы попасть на LEO, а затем еще раз для TLI, как J-2 на третьей ступени Saturn V.

Полная масса стартовой площадки составит 2885 тонн для межлунной миссии, 2931 тонна для 60-тонной на НОО.

Как вы заметили, разгонные ступени были бы намного компактнее, чем на Сатурне V. Фактически, вторая ступень будет размером примерно с третью ступень Сатурна V, поэтому стек может выглядеть как предлагаемая конфигурация Сатурн INT-20 .

(Изменен тоннаж, чтобы отразить более консервативные массовые доли топливного бака.)

Вероятно, было бы непрактично выполнять трехступенчатый однократный запуск ЛОР Сатурн / Аполлон на керосине; слишком велико удельное импульсное преимущество двигателей J-2 .

По моим оценкам из электронных таблиц, на это способна четырехступенчатая керосиновая ракета, в три раза превышающая по размеру Сатурн-5.

Транслунная ступень S-IV-K имеет 138 тонн топлива, 12 тонн сухого топлива, 47 тонн полезной нагрузки (CSM Apollo и LM). 1 двигатель H-1 (используется на Saturn 1B).

Третья ступень, С-III-К, ​​топливо 465, сухое 35 т, 1 двигатель F-1 .

Вторая ступень, С-II-К, ​​1674т метательного, 126т сухого, 3 двигателя F-1.

Первая ступень, SIK, 6392 т топлива, 408 т сухого топлива, 16 двигателей F-1.

Полная стартовая масса этого «Сатурна XVI» составит 9297 тонн.

Первые 3 ступени производят ~9600 м/с дельта-v, выводя "зверя" на круговую орбиту высотой 185 км. Четвертая ступень производит ~ 3400 м/с для отправки космического корабля на Луну.

Массу можно было бы существенно снизить за счет более оптимизированных двигателей; и F-1, и H-1 были спроектированы как двигатели первой ступени. Увеличение удлинения сопла, особенно на 3-й и 4-й ступенях, улучшит удельный импульс, не требуя совершенно новых конструкций двигателей. С «H-1V», производящим 320 ISP, и «F-1V», производящим 337, общая стартовая масса может быть снижена до 6820 тонн или около того, при «всего» 12 двигателях на первой ступени.

Оба моих ответа, очевидно, являются просто приблизительными оценками осуществимости в стиле Кербала.

(Изменен тоннаж, чтобы отразить более консервативные массовые доли топливного бака.)

Еще один подход к ответу — взглянуть на советскую ракету Н-1, которая фактически была разработана для попытки советской версии стратегии рандеву на лунной орбите, осуществленной Аполлоном. У Советов не было хорошо развитого водородного двигателя, все было керлокс.

Их подход принял несколько мер, чтобы значительно облегчить задействованный космический корабль, версию «Союза» и посадочный модуль под названием LK, который полагался на керосин-кислородный «крашер», чтобы снизить LK с орбитальной скорости до примерно полукилометра над посадочной площадкой. -и что более важно, чем потеря высоты, взлетела большая часть орбитальной скорости. Таким образом, сам LK был одноступенчатым, в отличие от американского LM, по сути, уменьшенным аналогом взлетного модуля LM с дополнительным топливом для окончательного спуска, висения и посадки. (У него также был полный резервный двигатель на случай отказа основного двигателя с той же тягой, но без дроссельной заслонки, для прерывания или в качестве резервного двигателя для подъема). ЛК мог обслуживать только одного космонавта, для гораздо более короткого пребывания на лунной поверхности,

Используя более эффективные керосин-кислородные двигатели с накачкой, чем американские гиперголы с питанием под давлением, советский подход требовал запуска более легкой батареи для запуска на Луну, но даже в этом случае из-за более низкой эффективности керосина по сравнению с водородом, четвертая ступень, которая должна была служить для отправить этот стек на встречу с луной должен был быть больше пропорционально. Считая керосин-кислородный блок «D» пятой ступенью, попытка выполнить лунную миссию с помощью одного запуска была очень незначительной, несмотря на то, что пятиступенчатая ракета значительно превосходила по массе «Сатурн-5». Чтобы попытаться облегчить его настолько, чтобы выполнить миссию, они предприняли всевозможные сомнительные меры по снижению веса, такие как удаление большей части телеметрии. Ожидалось, что самая ранняя версия Н-1 не поднимет более 45 или около того тонн на низкую околоземную орбиту. Между добавлением двигателей, немного увеличив габариты, а также эти меры по уменьшению веса и увеличению количества топлива, нужно было поместить 95 тонн на НОО в лунной версии, которая была испытана несколько раз. Каждая попытка заканчивалась неудачей, и если бы им удалось получить пилотируемую лунную установку на четвертой ступени, чтобы ввести ее на Луну, я боюсь, что срезание углов рано или поздно привело бы к катастрофе, возможно, раньше.

Если бы они перешли к стратегии с двумя запусками и предприняли меньше героических усилий, чтобы максимизировать полезную нагрузку и сделать ее несколько более надежной, я думаю, что они могли бы совершить посадку на Луну с запасом - действительно, режимы побега/выживания позволяют экипажу вернуться, несмотря на серьезные неудачи, мог бы быть намного лучше, чем «Аполлон» с планом из двух запусков. Хронология альтернативной истории, которая мне очень понравилась, была написана несколько лет назад на этой предпосылке.

Но глядя на огромные размеры, многочисленные двигатели и множество ступеней Н-1 в том виде, в котором он был построен, по сравнению с гораздо более скудным тоннажем на низкой лунной орбите, можно увидеть огромное преимущество, которым американцы пользовались при разработке водородных верхних ступеней. С одним керосином можно было бы достичь большей эффективности, чем наша программа, достигнутая с этой топливной смесью - все советские керосиновые двигатели с насосом в их программе Н-1 / ЛК были заметно более эффективными, чем лучшие американские керосиновые двигатели, хотя ни один из них почти соответствовал мощной тяге американского двигателя F-1.

Но даже в этом случае, с заметно превосходящими керосиновыми двигателями ISP, Советы или американцы, отказавшиеся от разработки водородных двигателей, должны были бы запустить гораздо больший тоннаж со стартовых площадок, чтобы достичь сопоставимых результатов с точки зрения высадки на Луну. Если бы целью было просто построить космические станции или что-то подобное, компромисс был бы гораздо более разумным.

Но опять же, одним из недостатков ракет, работающих на водороде, является сложность хранения водорода в течение длительного времени. В космосе не так уж сложно сохранить LOX в жидком состоянии и хранить его в течение длительного времени, но водород испаряется (или баки взрываются!). Кентавр продемонстрировал, что можно сохранить достаточное количество топлива через несколько дней, чтобы оно окупилось, так что в принципе Стек Аполлона мог быть остановлен до вывода на низкую орбиту Луны на таком этапе с некоторой экономией в весе, но конструкция была заморожена в начале шестидесятых вокруг использования только гиперголических двигателей с подачей давления после TLI, и TLI будет запущен через несколько часов после достижения парковочная орбита.

Таким образом, недостаток выкипания водорода не является проблемой, если кто-то использует водород для вывода чего-либо на низкую околоземную орбиту или планирует использовать его вскоре после этого. Таким образом, чтобы утверждать, что ker-lox будет лучше, чем использование верхних ступеней водорода, необходимо внимательно изучить структурные штрафы за фиксированную массу, которые налагает хранение водорода. Но при хорошем дизайне это не страшно; посмотрите на топливный бак STS, который весил 36 тонн в сухом виде, но вмещал около 750 тонн кислорода и водорода. Или третья ступень S-IV «Сатурн-5» (также вторая ступень «Сатурн-1В»), масса которой составляла около 9 тонн в сухом состоянии, включая двигатель, но вмещала 120 или более тонн топлива — это доли сухой массы намного меньше 1. /10, в то время как немногие реально используемые стадии ker-lox или hypergolic были значительно ниже этого.

Еще одним недостатком использования водорода является то, что отношение тяги к весу двигателя также уступает тому, чего можно достичь с помощью аналогичных современных инвестиций с менее энергичным, но более холодным и плотным топливом. Шаттл SSME имел хорошее отношение тяги к весу по сравнению с керосиновыми или гиперголическими двигателями первого поколения, но это было достигнуто героическими и дорогостоящими в разработке, создании и обслуживании методами, связанными с чрезвычайно высокими давлениями и температурами. Компромисс между эффективностью и тягой заложен в базовой физике; чтобы получить более быстрый выхлоп, работают при более высоких температурах; чтобы получить приличную тягу против высокого атмосферного давления на уровне моря, используется высокое давление; топливная смесь с более низкой энергией на килограмм сгорает холоднее и заменяет более высокий массовый расход на меньшую мощность при той же тяге. Если целью является тяга,

Суть в том, что первоначальный разгон со стартовой площадки, работа первой ступени, является задачей, решаемой за счет использования массивной тяги, и преимущества использования водорода здесь самые незначительные, в то время как преимущества менее амбициозных топливных смесей в более простых но более мощные двигатели лучше, особенно с учетом более легкого хранения. И наоборот, после того, как он был поднят над землей, из нижних слоев атмосферы и разогнан до скромных скоростей, которые выигрывают время для работы более слабых, но более эффективных двигателей на водороде, орбита с гораздо меньшей тягой может быть достигнута с меньшей общей массой верхней ступени и меньшим количеством ступеней. . Таким образом, дизайн Saturn V был хорошей синергией. Обратите внимание, что первая ступень намного массивнее, чем любая из верхних ступеней - у Сатурна V был прыжок примерно в 5 раз между третьей и второй ступенью. но первая ступень в 3-4 раза превышала массу всего верхнего блока, двух ступеней и 45-тонного лунного блока, вместе взятых. Для перемещения этой огромной общей массы требовались двигатели, создающие огромную тягу; даже если бы была решена серьезная задача создания водородных двигателей, способных производить такую ​​тягу, недостатки хранения огромного количества водорода по сравнению с компактными объемами керосина компенсировали бы большую часть преимущества, получаемого за счет более высокой эффективности и более высоких скоростей выхлопа. Они сэкономили на них там, где это было важнее всего, на первом этапе. Смешанный стек, несмотря на проблемы с управлением несколькими типами топлива вместо двух, был лучшим вариантом. Для перемещения этой огромной общей массы требовались двигатели, создающие огромную тягу; даже если бы была решена серьезная задача создания водородных двигателей, способных производить такую ​​тягу, недостатки хранения огромного количества водорода по сравнению с компактными объемами керосина компенсировали бы большую часть преимущества, получаемого за счет более высокой эффективности и более высоких скоростей выхлопа. Они сэкономили на них там, где это было важнее всего, на первом этапе. Смешанный стек, несмотря на проблемы с управлением несколькими типами топлива вместо двух, был лучшим вариантом. Для перемещения этой огромной общей массы требовались двигатели, создающие огромную тягу; даже если бы была решена серьезная задача создания водородных двигателей, способных производить такую ​​тягу, недостатки хранения огромного количества водорода по сравнению с компактными объемами керосина компенсировали бы большую часть преимущества, получаемого за счет более высокой эффективности и более высоких скоростей выхлопа. Они сэкономили на них там, где это было важнее всего, на первом этапе. Смешанный стек, несмотря на проблемы с управлением несколькими типами топлива вместо двух, был лучшим вариантом. Они сэкономили на них там, где это было важнее всего, на первом этапе. Смешанный стек, несмотря на проблемы с управлением несколькими типами топлива вместо двух, был лучшим вариантом. Они сэкономили на них там, где это было важнее всего, на первом этапе. Смешанный стек, несмотря на проблемы с управлением несколькими типами топлива вместо двух, был лучшим вариантом.