Вышел бы на орбиту внешний бак космического корабля "Шаттл" как VT SSTO с 6 SSME?

Если убрать с картинки внешние ускорители, а также весь 75-100-тонный орбитальный аппарат, сможет ли танк выйти на орбиту сам по себе? Для этого потребуется прикрутить болтами не менее 5, а лучше 6, а возможно, даже 9 SSME к днищу резервуара. Я предполагаю, что 7 ниже для паритета с начальным ускорением Шаттла ~ половина G.

Тут я явно сильно упрощаю: 26 тонн пустого бака плюс 7 двигателей по 3,5 тонны это вместе 50,5 тонн против 735 тонн массы топлива. Скорость истечения на уровне моря составляет 3,6 км/с, а вакуум 4,4, поэтому я предполагаю 4 (оптимистично, пессимистично?), чтобы вставить в калькулятор Wolfram Alpha ссылку со страницы Википедии, посвященную уравнению ракеты Циолковского, в котором говорится, что дельта-v для выхода на орбиту с учетом гравитации и сопротивления воздуха составляет 9,7 км/с.

В результате у меня осталось не менее 20 тонн, чтобы поиграть с такими вещами, как подвеска вокруг днища танка, чтобы прикрепить к нему двигатели, механизм управления и полезную нагрузку. Что, по-видимому, оставит по крайней мере 10 тонн полезной нагрузки?

То, что уравнения, которые я использовал, полностью игнорируют, так это начальную тягу к полной стартовой массе, которая наверняка повлияет на гравитацию и сопротивление воздуха? С 6 SSME при ~21 тонне и ~1116 тонн суммарной тяги на уровне моря у меня было бы немного меньшее начальное ускорение, чем у Шаттла, около 1,38, с 9 при ~32 тоннах это было бы примерно вдвое больше, чем у Шаттла. Какое предположение стоит за дельта-v 9,7 км / с на странице Википедии в отношении доли аэродинамического / гравитационного сопротивления и начального ускорения запуска?

Насколько я далек от этой неряшливой математики?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Может ли кто-нибудь получить оптимальное количество SSME, которое дает наибольшую полезную нагрузку, и поделиться своей логикой? Это гравитационное сопротивление против доли сухой массы против сопротивления воздуха: больше двигателей означает меньшее сопротивление гравитации, но хуже удельная масса, а также сопротивление воздуха, поскольку вы становитесь быстрее на раннем этапе в более низкой плотности атмосферы, и наоборот.

Следует отметить, что SSME не может быть перезапущен, это усложняет круговую орбиту.
Может ли кто-нибудь с достаточной репутацией создать теги гравитационного сопротивления и воздушного сопротивления, если увидит это? Кажется упущением, что их нет.
атмосферное сопротивление существует, хотя я не видел синонима гравитационного сопротивления.
А, спасибо, не видел. Оказывается, я все равно не могу прикрепить больше 5 тегов.

Ответы (1)

То, что уравнения, которые я использовал, полностью игнорируют, так это то, что начальная тяга зависит от полной стартовой массы, что, несомненно, повлияет на гравитационное сопротивление? ... Какое предположение стоит за дельта-v 9,7 км / с на странице Википедии в отношении доли гравитационного сопротивления и начального ускорения при запуске?

9,7 км/с — это верхняя граница дельта-V относительно орбитальных требований. Он зависит как от аэродинамики (преобладает отношение массы к поперечному сечению, что благоприятствует более крупным пусковым установкам), так и от начального ускорения и удельного импульса (из-за кривой ускорения и гравитационных потерь).

Вопреки интуиции, при той же начальной массе и тяге меньший удельный импульс приводит к меньшему требованию дельта-v, потому что ракета быстрее отбрасывает массу и, следовательно, быстрее ускоряется (объяснение этого явления находится здесь, на yarchive.net ; спасибо пользователю Arris за то, что нашел его).

Таким образом, ваша стоимость ∆v для выхода на орбиту может быть немного выше для вашей полностью гидролоксовой конструкции, чем для шаттла с его SRB с низким удельным импульсом, но 9,7 км/с все же, вероятно, является консервативной оценкой.

Ваш анализ кажется разумным, учитывая ваше редактирование 6 SSME. Часть массы полезной нагрузки будет съедена конструкцией тяги и адаптером полезной нагрузки, но вы получите примерно 20 тонн полезной нагрузки с целью ∆v 9,6 км/с. Вы, вероятно, захотите выключить некоторые двигатели во время подъема; при дроссельной заслонке 68% вы будете тянуть более 10 г при выгорании со всеми 6 выстрелами.

Имейте в виду, что эта конструкция выбрасывает целый флот шаттлов SSME (современная стоимость около 50-60 миллионов долларов за SSME) каждые два запуска.

Спасибо за подтверждение. Я просто немного ошеломлен этим результатом, поскольку он находится в таком резком противоречии с общепринятым мнением о том, что SSTO невыполнима, потому что слишком сложно в достаточной мере оптимизировать массовую долю сухого вещества и/или сделать двигатели достаточно эффективными во всем диапазоне давлений. от уровня моря до вакуума. Как нуб по стековому обмену, я сейчас в основном задаюсь вопросом, как поднять настоящий, главный вопрос: если SSTO так легко сделать, если он у нас уже был полвека назад, как кажется, почему, о, почему мы не делаем все это время?
Ваше возражение по поводу удельной стоимости SSME предполагает, что мы не можем сделать двигатели с аналогичными характеристиками намного дешевле в настоящее время (например, Vulcain 2.1, будущая модель Ariane 5, кажутся довольно хорошими, поскольку количество деталей уменьшено на 90%, согласно новостной ленте. ), или что мы не могли адаптировать эту конструкцию вертикального взлета за 10 тонн дополнительных затрат для вертикального взлета и посадки.
Мы не используем SSTO, потому что нет особого преимущества в одноразовом SSTO. Сделать 2STO дешевле и проще. Если вы собираетесь восстановить одну ступень, вам нужно тепловое решение и решение для посадки, которые съедают вашу полезную нагрузку.
Обычная цифра, подбрасываемая для восстановления 1-й ступени Falcon 9, состоит в том, что она стоит 15–30% от ее «производительности» (очень расплывчато!) По сравнению с сопоставимыми расходными материалами — запас топлива для торможения, обратного полета и посадки, вес решетчатых плавников и посадочных опор. И это при входе в атмосферу с ~2 км/с, а не с орбитальной скоростью. Если вы намереваетесь восстановить орбитальный SSTO, вам придется заплатить очень большой штраф.
@RussellBorogove, после вашего вдохновляющего комментария, почему Falcon Heavy отправляет 3 восстанавливаемых первых ступени и одну вторую ступень вместо запуска двух восстанавливаемых первых ступеней, толкающих одну вторую ступень (вторая ступень тяжелее, чем вторая ступень, толкаемая одним ускорителем F9)?
@qqjkztd Не уверен, что понимаю, о чем / почему вы спрашиваете, но относительно просто симметрично добавить два бустера к F9 и оставить вторую ступень как есть; «Falcon 18» потребуется новая промежуточная ступень и новая конструкция верхней ступени, и он будет менее эффективен, чем Falcon Heavy.
@RussellBorogove Я считаю, что вы правы, это аргументация инженеров Arianegroup, BlueOrigin, ULA и SpaceX, почему они предпочитают одноразовые 2STO или 3STO одноразовым SSTO. Однако это неясно, если только вы не приравняете стоимость к расходу топлива на единицу массы на НОО. Если вы вместо этого предположите, что сложность, для которой количество деталей может быть разумным показателем, была основным фактором общей стоимости единицы массы для LEO, одноразовый SSTO может иметь преимущество. Разве это не забота об экономии топлива, которая стоит за автоматическим предположением, что 2/3STO дешевле?
Простота в подсчете частей SSTO привлекательна, правда, но гидролокс вообще имеет массу недостатков (некоторые обсуждаются здесь ), а другим топливам требуется значительно лучшая массовая доля для выполнения SSTO из-за их более низкого удельного импульса. 2STO позволяет масштабировать ваши проблемы с гидролоксом до сравнительно небольшой второй стадии и использовать более дешевые растворы (твердые вещества или керолокс) для первой стадии.
@Prototypist, вас может заинтересовать водолей . Это была попытка максимально упростить конструкцию ракеты так, как вы предлагаете.
Я смутно помню, как читал о том, как НАСА придумало конструкцию шаттла в полете, и что одна из ранних концепций полностью состояла из гидролокса, но от нее отказались из-за требуемого огромного топливного бака и связанного с этим снижения веса.
«Имейте в виду, что эта конструкция выбрасывает целый флот шаттлов SSME (современная стоимость около 50 60 миллионов на SSME) каждые два пуска." Что ж, это ненамного хуже текущих планов по SLS, так что...
На тонну полезной нагрузки на орбиту немного хуже.