Wie viel Treibstoff wird benötigt, um eine Rakete ins All zu schicken?
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Zuerst müssen Sie ein paar Dinge festlegen.
- Für welche Mission muss diese Rakete fliegen? .. einfach nur rauf und runter, zur nächsten Großstadt, oder in den Orbit, oder zum Mond... was auch immer. Dies bestimmt, wie stark die Nutzlast der Rakete (oder der gesamten Rakete) sein muss, um die Geschwindigkeit zu ändern – in der Branche wird dies dV (Delta V – oder Geschwindigkeitsänderung) genannt. Dies ist normalerweise eine unangenehm große Zahl – für die Erde Umlaufbahn normalerweise um die 8 km/s – für andere Missionen sogar noch größer.
- Dann müssen Sie bestimmen, wie viel Nutzlast Sie liefern möchten/müssen – wie schwer ist Ihr Lander, Ihr Satellit, Ihr Sprengkopf oder Ihre Komplementärflagge? Nennen wir das MP (Mass Payload).
- Dann müssen Sie Ihre Technologiebasis bestimmen – welche Motoren und Kraftstoffe stehen Ihnen zur Verfügung? Dadurch wird bestimmt, welche Abgasgeschwindigkeit (vg genannt, normalerweise zwischen 2500 und 4500 m/s) Ihnen zur Verfügung steht. Und Sie sehen sich die verfügbaren Materialien für Tanks und Struktur an. Dies ergibt (zusammen mit dem Gewicht der Motoren) die Trockenmasse (md) und liegt typischerweise irgendwo zwischen 8 % und 15 % Ihrer Kraftstoffmasse – sagen wir mal, hier ist sie genau 10 %
Jetzt ziehen Sie die gute alte Raketengleichung von Tsiokovsly hervor
dv = vg + ln ((mp+md) / (mp + md + mf))
ln ist der natürliche Logarythmus. mf ist die benötigte Treibstoffmasse
löse nach mf ..
Wenn die Masse des Treibstoffs klein genug ist, um in den durch die Trockenmasse definierten Treibstofftanks aufgenommen zu werden (erinnern Sie sich an die 10 % oben?), dann haben Sie Glück. Sie haben die erforderliche Größe und den Treibstoff der Rakete für diese Mission berechnet. .
aber höchstwahrscheinlich haben Sie kein Glück. Die Trockenmasse ist zu klein, um den ganzen Kraftstoff aufzunehmen.
Sie erhöhen also die Trockenmasse, um diese Tanks größer zu machen … und lösen die Gleichung erneut mit den neuen Werten … vielleicht haben Sie bei der nächsten, größeren Iteration Ihres Entwurfs Glück …
Es könnte jedoch sein, dass Sie keine Rakete berechnen können, die groß genug ist oder einen ausreichend geringen Trockenmasseanteil hat, um die Mission zu fliegen. Es könnte sogar sein, dass die Rakete zu 100 % aus Treibstoff bestehen würde (keine Tanks, keine Motoren, nur Treibstoff). und Nutzlast) kann es die Mission immer noch nicht fliegen, es kann einfach nicht genügend Geschwindigkeitsänderungen erzeugen
Dann müssen Sie knifflig werden. Nehmen Sie eine Rakete, die die Nutzlast und einen guten Teil der erforderlichen Geschwindigkeitsänderung liefern kann, und setzen Sie sie als Nutzlast auf eine viel größere Rakete. Jetzt können Sie die Geschwindigkeiten addieren, die jede einzelne Rakete erreichen kann produzieren, weil Sie die abgestufte Rakete erfunden haben.
Wenn Sie wissen, was Sie tun, können Sie alle diese Berechnungen – etwa für die Mondlandung – auf ein paar Blättern Papier mit einem Gewicht von ein paar Gramm durchführen.
Und jetzt beginnt der WIRKLICHE Spaß – aus diesen wenigen Blättern Papier eine echte Rakete zu machen (und damit den Schritt von der einfachen Raketenwissenschaft zur viel schwierigeren Raketentechnik zu machen).
Die Mondlandungen verwandelten die wenigen Gramm anfänglicher Papierberechnungen (durchgeführt von Tsiokovski, Oberth und Goddard zwischen 1900 und 1920) in einen 3000 Tonnen schweren Klempner-Albtraum namens Saturn V / Apollo (mit – je nachdem, wie man sie zählt – irgendetwas zwischen 3 und …). 8 Stufen ) - es dauerte zum Zeitpunkt der Berechnungen nur Jahre, bis dies erreicht war
Da Sie es nur in den Weltraum bringen möchten und keine Umlaufbahn benötigen, sind Ihre Delta-V-Anforderungen weitaus geringer. Wenn Sie die nötige Ausrüstung hätten, um dies professionell durchzuführen, könnten Sie es mit einer Rakete machen, die etwas mehr als die Hälfte ihres Gewichts in RP1/LOX trägt. Allerdings ist die Entwicklung eines Flüssigkeitstriebwerks für eine Mission wie diese eine ziemliche Herausforderung, und wenn man bedenkt, dass wir das wie Amateure machen, werden Sie höchstwahrscheinlich Zuckerraketen verwenden. Diesen Raketen mangelt es eher an Effizienz, aber man kann die Materialien an den meisten Orten legal erhalten, sodass Ammoniumperchlorat und Aluminium viel realistischer sind.
Um die Karman-Linie zu durchbrechen, sind 2.100 m/s Delta V erforderlich. Damit Ihre Rakete ins All gelangt, müssen 4/5 ihres Gewichts aus Treibstoff bestehen. Sie könnten dies wahrscheinlich mit einer einzigen Stufe erreichen, was wahrscheinlich eine bessere Option wäre, aber aufgrund der Notwendigkeit einer langen Brenndauer würden Sie wahrscheinlich zwei Stufen bevorzugen, da kleine Raketen nicht lange brauchen, um auszubrennen. Angesichts der Tatsache, dass die meisten SRB-Gehäuse etwa ein Zehntel des Treibstoffs wiegen, bleibt nur noch ein Zehntel Ihrer Rakete übrig, die Sie mit Avionik, Nutzlast und Leitflächen füllen müssen. Wenn man davon ausgeht, dass die Avionik und die Führungsflächen insgesamt nicht mehr als 1 kg wiegen und Ihre Nutzlast ein Kilo beträgt, stehen Ihnen zwei Kilo Masse für Ihre inerte Struktur und etwa 16 kg Treibstoff zur Verfügung.
Diese Rakete ist ziemlich klein und hört sich für mich nicht ganz richtig an, daher würde ich wahrscheinlich einen kleinen Booster an der Unterseite anbringen, mit etwa 5 zusätzlichen Kilo schnell brennendem Treibstoff, der dabei hilft, die Drehung zu stabilisieren und durch den dicksten Teil der Atmosphäre zu gelangen .
Zusammenfassend: Etwa 25 kg Kno3 und Saccharose sollten ausreichen
Hoffe das hilft