Nutzlast einer Rakete
Warum hat eine Rakete beim Platzieren eines Objekts in LEO eine weitaus größere Nutzlastkapazität als beim Platzieren des Objekts in weiter umlaufenden Bahnen wie auf dem Mond? Wenn eine Rakete genügend Schub hat, um ein schwereres Objekt in den Weltraum zu befördern, warum könnten einige zusätzliche Schubstufen es ihr nicht erlauben, dieselbe Nutzlast zum Mond zu bringen?
Antworten
Die anderen Antworten sind richtig, aber möglicherweise zu schwer intuitiv zu erfassen. Der einfachste Weg, dies zu verstehen, besteht darin, den umgekehrten Weg zu gehen.
Sie haben eine Rakete, die zum Mond fliegen kann. Irgendwann im Flug hat es bereits genug Geschwindigkeit, um die Erde zu umkreisen, und etwas Treibstoff, um sie zum Mond zu treiben. Wenn Sie, anstatt für den Rest der Reise zusätzlichen Kraftstoff zu haben, die gleiche Masse wie die Nutzlast haben würden, hätten Sie genau das: mehr Nutzlast in LEO.
Die kurze Antwort lautet: Tsiolkovsky-Raketengleichung . Sie benötigen eine gewisse Geschwindigkeit, um eine Position (eine Umlaufbahn oder einen Körper) im Raum zu erreichen. Weiter eine Position - mehr Geschwindigkeit. Mehr Geschwindigkeit - mehr Treibstoffmasse, und diese Beziehung ist nicht linear und nicht zugunsten der Geschwindigkeit.
$$\Delta v=v_e \ln(m_0/m_f)$$
wo:
$\Delta v$ - theoretisches maximales Geschwindigkeitsinkrement,
$m_0$ - die Ausgangsmasse, einschließlich Tanks, Motoren, Avionik, Treibmittel und (natürlich) Nutzlast,
$m_f$ - Die endgültige Masse kann je nach Raketenzweck und Konstruktion nur Nutzlast sein (Nutzlast kann sehr weit gefasst sein, einschließlich einer Etappe zum Mond, zum Mars usw. mit eigener Nutzlast).
$v_e$- die Abgasgeschwindigkeit des ausgewählten Treibstofftyps für den ausgewählten Motortyp,
$\ln()$ - der natürliche Logarithmus.
Wenn Sie eine Stufe hinzufügen, fügen Sie eine Anfangsmasse hinzu, und ja, Sie können die gleiche Nutzlast zum Mond bringen, jedoch zum Preis einer viel schwereren Rakete. Und es wird eine andere Rakete als die für LEO sein. Oder die Rakete kann dieselbe sein, aber mit weniger Nutzlast.
Es wird vielleicht klarer, wenn man angibt, was Raketen tun . Sie ändern die Geschwindigkeit . In räumlicher Hinsicht ist das Delta-V .
Eine Raketenstufe kann Ihre Geschwindigkeit nur in begrenztem Umfang ändern. Unterschiedliche Ziele im Weltraum erfordern unterschiedliche Geschwindigkeitsänderungen (niedrige Umlaufbahn: 8 km / s, niedrige Mondumlaufbahn: 12 km / s).
Wenn Ihre Raketenstufe nicht alle Geschwindigkeitsänderungen liefern kann, die Sie benötigen, ist ein Trick erforderlich. Der Trick besteht darin, einen Teil der Nutzlast der ersten Rakete durch eine andere Rakete zu ersetzen, die nach dem Verbrauch der ersten Rakete feuern kann.
Die gute Nachricht: Sie haben jetzt sowohl die Geschwindigkeitsänderung der ersten als auch der zweiten Rakete.
Die schlechte Nachricht: Ein Großteil der Nutzlast ist jetzt die zweite Rakete.
Wenn Sie in Ihrem Beispiel eine niedrige Umlaufbahn erreichen, kann die gesamte Nutzlast Nutzlast sein, wenn Sie nur so weit gehen möchten. Wenn Sie jedoch weiter zum Mond gehen müssen, ist eine zusätzliche Geschwindigkeitsänderung erforderlich, sodass ein Teil dieser Nutzlast eine zusätzliche Rakete sein muss.
Warum ist es einfacher, auf halber Höhe eines Berges zu fahren als bis zum Gipfel?
Assume that you are already in low Earth orbit. You have a payload X that you want to put in a higher orbit, say GEO. Then you can compute the deltaV needed to move that payload between orbits, and the fuel needed to create that deltaV.
But the fuel needed is not magically placed in LEO. You need to launch it (and probably the rocket stage that will use it) from the ground to LEO. That takes more fuel, which means you need either a bigger rocket, or several launches of smaller rockets.