Tải trọng của tên lửa
Tại sao tên lửa có khả năng chịu tải lớn hơn nhiều khi đặt một vật thể trong LEO so với khi đặt vật thể đó ở những quỹ đạo xa hơn, như trên Mặt trăng? Nếu một tên lửa có đủ lực đẩy để đưa một vật thể nặng hơn vào không gian, tại sao một số giai đoạn lực đẩy bổ sung lại không cho phép nó có cùng tải trọng lên Mặt trăng?
Trả lời
Các câu trả lời khác đều đúng, nhưng có thể quá khó để nắm bắt bằng trực giác. Cách đơn giản nhất để hiểu điều này là lập luận theo cách ngược lại.
Bạn có một tên lửa có thể bay đến Mặt trăng. Tại một thời điểm nào đó trong chuyến bay, nó đã có đủ tốc độ để quay quanh Trái đất và một số nhiên liệu để đẩy nó lên Mặt trăng. Nếu, thay vì có thêm nhiên liệu cho phần còn lại của cuộc hành trình, bạn đặt cùng khối lượng với trọng tải, bạn sẽ có chính xác điều này: tải trọng nhiều hơn trong LEO.
Câu trả lời ngắn gọn là: Phương trình tên lửa Tsiolkovsky . Bạn cần một số vận tốc để đạt được một số vị trí (quỹ đạo hoặc vật thể) trong không gian. Xa hơn một vị trí - nhiều vận tốc hơn. Nhiều vận tốc hơn - khối lượng thuốc phóng nhiều hơn, và mối quan hệ này không tuyến tính và không có lợi cho vận tốc.
$$\Delta v=v_e \ln(m_0/m_f)$$
Ở đâu:
$\Delta v$ - gia tốc tối đa lý thuyết của vận tốc,
$m_0$ - khối lượng ban đầu, bao gồm xe tăng, động cơ, hệ thống điện tử hàng không, thuốc phóng và (tất nhiên) trọng tải,
$m_f$ - khối lượng cuối cùng, nó chỉ có thể là trọng tải, tùy thuộc vào mục đích và cấu tạo tên lửa (trọng tải có thể là thuật ngữ rất rộng, bao gồm cả giai đoạn bay lên Mặt trăng, sao Hỏa, v.v., với trọng tải riêng của nó),
$v_e$- vận tốc xả của loại nhiên liệu đẩy đã chọn cho loại động cơ đã chọn,
$\ln()$ - lôgarit tự nhiên.
Nếu bạn thêm một giai đoạn, bạn sẽ thêm một khối lượng ban đầu và vâng, bạn có thể mang trọng tải CÙNG lên Mặt trăng, nhưng với cái giá của tên lửa nặng hơn nhiều. Và nó sẽ là một tên lửa khác với LEO. Hoặc tên lửa có thể giống nhau nhưng tải trọng ít hơn.
Nó có lẽ trở nên rõ ràng hơn khi nói rõ tên lửa làm gì . Chúng thay đổi vận tốc . Theo thuật ngữ không gian, đó là delta-v .
Một giai đoạn tên lửa chỉ có thể thay đổi vận tốc của bạn một số lượng giới hạn. Các mục tiêu khác nhau trong không gian yêu cầu mức độ thay đổi vận tốc khác nhau (Quỹ đạo thấp: 8km / s, quỹ đạo thấp trên Mặt trăng: 12km / s)
Nếu giai đoạn tên lửa của bạn không thể cung cấp tất cả sự thay đổi vận tốc mà bạn cần, thì cần phải có một mẹo nhỏ. Bí quyết là thay thế một số trọng tải của tên lửa đầu tiên bằng một tên lửa khác, có thể bắn sau khi tên lửa đầu tiên được sử dụng.
Tin tốt: Bây giờ bạn có cả sự thay đổi vận tốc của tên lửa thứ nhất và tên lửa thứ hai.
Tin xấu: Phần lớn trọng tải bây giờ là tên lửa thứ hai.
Vì vậy, trong ví dụ của bạn, khi đạt đến quỹ đạo thấp, tất cả trọng tải có thể là trọng tải nếu bạn chỉ định đi xa như vậy. Nhưng nếu bạn cần đi xa hơn tới Mặt trăng, thì cần phải thay đổi thêm vận tốc, vì vậy một số trọng tải đó phải là một tên lửa phụ.
Tại sao đi lên lưng chừng núi dễ hơn lên đến đỉnh?
Giả sử rằng bạn đã ở quỹ đạo thấp của Trái đất. Bạn có một trọng tải X mà bạn muốn đưa vào quỹ đạo cao hơn, giả sử GEO. Sau đó, bạn có thể tính toán deltaV cần thiết để di chuyển trọng tải đó giữa các quỹ đạo và nhiên liệu cần thiết để tạo ra deltaV đó.
Nhưng nhiên liệu cần thiết không được đặt một cách kỳ diệu vào LEO. Bạn cần phóng nó (và có thể là giai đoạn tên lửa sẽ sử dụng nó) từ mặt đất lên LEO. Điều đó tốn nhiều nhiên liệu hơn, có nghĩa là bạn cần một tên lửa lớn hơn hoặc một số lần phóng tên lửa nhỏ hơn.