Vraag:
Zou er gewicht kunnen zijn bespaard op de Apollo CSM met behulp van een alternatieve hoofdmotor?
Heopps
2018-05-25 18:40:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Het is bekend dat de hoofdmotor van de Apollo-servicemodule, de AJ10-137, te groot was voor zijn missie. Het oorspronkelijke plan was om het te gebruiken voor het opstijgen van het maanoppervlak.

Mijn vraag is - hoeveel massa kan worden bespaard als een alternatief hypergolisch voortstuwingssysteem wordt gebruikt voor de Apollo CSM?

  • Was er in die tijd een andere hypergolische motor beschikbaar?

  • Was de grote straalpijp van de motor (lengte 3,9 m, diameter 2,5 m) essentieel of kan de grootte worden verkleind? Wat was het gewicht van de straalpijp?

Ik wil weten of de selectie van de extra grote motor voornamelijk werd veroorzaakt door de haast van de Lunar Race. Zou een alternatief voortstuwingssysteem gerechtvaardigd kunnen zijn, of zou enige winst onbeduidend zijn?

Het voor de hand liggende antwoord is ja, dat zou kunnen. Het ontwikkelen van een nieuwe motor en het mogelijk opnieuw ontwerpen van de CSM zouden echter niet in het tijdschema passen. Er is geen "voldoende" rechtvaardiging - als de vertraging betekent dat de deadline niet wordt gehaald, zijn eventuele winsten niet relevant. En de Russen maakten zich ook klaar. als de VS twee jaar verloor, was N1 misschien klaar en domineerde Rusland. Waarom zou je het riskeren als je een werkend ruimtevaartuig hebt.
De hoogste prioriteit bij het ontwerp was niet efficiëntie, maar betrouwbaarheid. De motor moet zonder beperking ontbrandbaar zijn zonder zwaartekracht. Daarom werd drukvoeding met redundante kleppen gebruikt. Een hypergolische brandstofoxidatorcombinatie was noodzakelijk, maar het zou er een moeten zijn met veel ervaring. De druktoevoer beperkte de verbrandingskamerdruk tot een relatief lage waarde. Voor maximale efficiëntie zou een hogere druk moeten worden gebruikt, maar dit was niet mogelijk met druktoevoer.
Een antwoord:
Russell Borogove
2018-05-25 20:06:54 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Er zou niet veel worden bespaard door de motor te vervangen. Over het algemeen zijn raketmotoren een verrassend klein onderdeel van het ruimtevaartuig. In dit specifieke geval maakt de SPS-engine ongeveer 0,7% uit van de totale massa van de Apollo CSM / LM-stack bij vertrek van de aarde. In plaats daarvan domineert brandstoftank de massa van een schip dat aanzienlijk manoeuvreert.

Volgens dit overzichtsdocument van NASA is het gewicht van de motor inclusief de 2,5 m verlenging van de spuitmond ongeveer 300 kg (650 lbs). De eerdere varianten van de AJ10-118 waren ongeveer 90-100 kg met sproeiers met een diameter van 0,84 m tot 1,4 m.

Door simpelweg dezelfde motor te voorzien van een kleiner, lichter mondstuk zou de stuwkracht verminderen, maar ook de specifieke impuls (brandstofefficiëntie) verminderen, zodat eventuele massabesparingen zouden worden tenietgedaan door de noodzaak om meer brandstof te vervoeren. De AJ10-118E met een 1,4 m mondstuk leverde 278 seconden specifieke impuls, 13% minder dan Apollo's 314 seconden; zoiets als 3 ton brandstof zou nodig zijn geweest.

Er zou een geheel nieuwe engine voor het project kunnen zijn gespecificeerd. Massa's hypergolische drukgevoede motoren zijn meestal evenredig met (ongeveer) de 0,6 kracht van de stuwkracht, dus je zou verwachten dat een motor met de helft van de stuwkracht en dezelfde specifieke impuls ongeveer 200 kg weegt. Door die vermindering van de totale massa zou ook de brandstofbelasting proportioneel kunnen worden verminderd, waardoor nog eens 50 kg of zo kan worden bespaard. In principe had een besparing van 150 kg relatief eenvoudig moeten zijn met een verkleinde motor, met behoud van de efficiëntie. Door de stuwkracht verder te verminderen, zou het inbrengen van de maanbaan en de trans-aarde-injectie aanzienlijk minder efficiënt kunnen worden; het Oberth-effect piekt met zeer korte impulsen.

De AJ10-familie was (en is nog steeds) een van de meest volwassen raketmotorsystemen die er bestaan, met ongeveer een decennium aan vliegervaring achter de rug ten tijde van de Apollo-missies. Zijn specifieke impuls met de grote Apollo-straalpijp was al ongeveer zo goed als een hypergolische druk kan krijgen. Er was op dat moment geen andere geschikte motor beschikbaar die de prestaties en bewezen betrouwbaarheid van de AJ10 kon benaderen.

De ascent engine van de Apollo LM is een interessant contrastpunt. Het is speciaal voor het project ontwikkeld. Met 1/6 van de stuwkracht van de SPS weegt hij 82 kg. Zijn specifieke impuls is slechts iets lager dan die van de SPS. De ontwikkeling ervan werd ernstig vertraagd door problemen met het injectorontwerp, waardoor de projectplanning in gevaar kwam; Aerojet moest ingrijpen om de injector te vervangen toen Bell geen stabiele kon ontwikkelen. De opstijgmotor gebruikte een ablatieve straalpijp die niet bestand was tegen de herhaalde afvuren die nodig waren om de CSM te manoeuvreren.

Een besparing van 150 kg op de servicemodule zou leuk zijn geweest, maar er waren andere manieren om massa te besparen die de betrouwbaarheid niet in gevaar brachten.

De AJ10 zou de hart van het Orbital Manoeuvreing System van de spaceshuttle, met honderden vluchten, duizenden starts en geen fouten. Vijftig jaar na Apollo zou het Orion-ruimtevaartuig overtollige OMS-motoren van het shuttleprogramma gebruiken.

Het vergelijken van de motormassa met de brandstofmassa is niet zo interessant omdat de brandstofmassa _afhankelijk_ is van de motormassa. Ik denk dat het belangrijker is om het aandeel van de motormassa in de totale droge massa te zien.
De massa van de SPS-motor is minder dan 1% van de massa van de CSM / LM-stack bij vertrek van de aarde (300 kg tot 44 ton). Bijgevolg is de vereiste brandstofmassa * bijna * onafhankelijk van het motorgewicht. Ik zal dat echter explicieter maken.
@Russell Borogove - bedankt, uitstekend antwoord! Massawinst is dus minder dan verwacht kan worden. Maar ik zou zeggen dat 100-150 kg paiload in een baan om de maan, of 40-60 kg op het maanoppervlak "nogal significant" zijn. Gewicht van PFS-1 minisatelliet was 36 kg, ALSEP packadge voor Apollo-17 had een massa van 163 kg. Maar betrouwbaarheid van de motor had ongetwijfeld de hoogste prioriteit en deze mag niet in gevaar worden gebracht. Geaccepteerd antwoord.


Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 4.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...