Domanda:
Perché l'Accademia europea dell'aria e dello spazio e DLR stanno sollecitando ESA e CNES a riconsiderare l'uso di combustibili solidi per la proposta di Ariane 6?
TildalWave
2013-08-30 04:56:49 UTC
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Con il sito di lancio di Ariane 6 selezionato, il CNES (Centre National d'Etudes Spatiales, l'agenzia spaziale francese) mirava a congelare il progetto del nuovo razzo il 24 maggio 2013. Pochi giorni dopo e quello stesso mese (30 maggio 2013), l'Air & Space Academy europea "esortò a interrompere i lavori sul progetto di Ariane 6" e tra le ragioni addotte, nel loro vista, la scelta sbagliata per il propellente dei primi due stadi:

L'accademia sta sollecitando le agenzie a sospendere i lavori sull'Ariane 6 che hanno approvato a novembre in vista del pieno sviluppo nel 2014. Il Il razzo preferito dall'accademia utilizzerebbe la propulsione liquida anziché quella solida e affronterebbe altri quattro anni di lavoro preparatorio prima di passare al pieno sviluppo nel 2018.

L'8 maggio 2013 l'Air & Space Academy europea ha inviato una lettera al direttore generale dell'ESA Jean-Jacques Dordain, in cui sollecitava l'ESA a "riaprire urgentemente gli studi di configurazione" per Ariane 6.

Some of the Ariane 6 concepts under investigation

Alcuni dei concetti di Ariane 6 oggetto di indagine (Fonte: ESA)

Tra altre obiezioni al progetto di Ariane 6 proposto, Air & Space Academy ha addotto la seguente ragione per non utilizzare propellenti solidi come "la scelta sbagliata" :

Due stadi a combustibile solido sormontati da uno stadio superiore criogenico sono un progetto senza uscita che non consente la flessibilità necessaria in un razzo che fungerà da principale lanciatore europeo per diversi decenni.

Questo tuttavia sembra piuttosto polemico. Certo, il dibattito sui razzi a propellente solido contro quello a propellente liquido tra gli ingegneri è antico quanto l'età della saliva, ma oltre alla maggior parte dei progetti attuali di veicoli di lancio che utilizzano stadi di razzi liquidi e / o criogenici, ci sono prove indiscutibili che la scelta di uno è migliore la scelta di un altro?

L'ESA mira a sviluppare un veicolo di lancio per lancio più economico e dal design più semplice con Ariane 6, e l'uso di propellenti solidi mi sembra piuttosto ovvio, il che è anche una ferma convinzione del direttore del lanciatore ESA Antonio Fabrizi. L'ESA stima un costo per lancio di circa 70 milioni di euro, qualcosa su cui l'accademia non è d'accordo, ma cita comunque risparmi significativi rispetto a Ariane 5:

L'accademia stima che oggi Il razzo Ariane 5 ECA costa 145 milioni di euro per lancio. L'Ariane 6 a propellente solido costerà probabilmente 98 milioni per lancio, almeno all'inizio. Sarà difficile tagliare i costi per arrivare all'obiettivo annunciato.

Giusto. Quindi i risparmi sui costi sono ancora presenti e sono sostanziali indipendentemente dalle quotazioni che crediamo. Quindi questo "razzi a propellente solido contro liquido" non è così intuitivo come avrei sperato, dopo aver letto così tanti articoli sulla disputa di Ariane 6.

Vediamo , se possiamo ottenere qualche prospettiva aggiuntiva, però. Il 12 luglio 2013, è stato annunciato che Johann-Dietrich Woerner, presidente del Centro aerospaziale tedesco (DLR), ha affermato che il governo tedesco rimane a favore del continuo sviluppo dell'attuale Ariane 5 razzi per carichi pesanti, con possibili evoluzioni che includono nuovi carburanti accettabili dal punto di vista ambientale al posto degli attuali propulsori a razzo solido del veicolo. Continua dicendo:

... il propellente solido comporta altri svantaggi, incluso il fatto che un secondo stadio a combustibile solido aggiunge rischi di vibrazione ai carichi utili dei satelliti sensibili e inquina anche l'alta atmosfera.

L'affermazione relativa alla "vibrazione" sembra ancora un po 'polemica, ma è anche vero? E mentre le preoccupazioni ambientali sembrano un po 'più giuste, è davvero un problema del genere e perché menzionare solo l'inquinamento dell'atmosfera superiore?

Quindi, per ricapitolare, le mie domande sono:

  • Esistono altre ragioni tecniche per favorire i propellenti liquidi rispetto a quelli solidi, oltre ai motivi sopra menzionati?
  • Può l'argomento che il secondo stadio a combustibile solido aggiunge il rischio di vibrazioni può essere dimostrato con dati concreti per un razzo in fase di progettazione?
  • Di che tipo di inquinamento dell'alta atmosfera stiamo parlando, se si scelgono propellenti solidi rispetto a quelli liquidi, che non non meriti nemmeno di menzionare il sito di lancio e l'inquinamento atmosferico inferiore?

In sostanza, sto cercando risposte che forniscano maggiori informazioni su questo antico dibattito ingegneristico su "Razzi a propellente solido contro liquido" . Idealmente, la scelta progettuale ESA / CNES per l'Ariane 6 dovrebbe essere discussa e, se possibile, evitare o respingere / invalidare completamente argomenti politicamente motivati, come:

Woerner ha detto che per questo tipo di l'economia di scala per funzionare, tutti i booster Ariane 6 a combustibile solido dovrebbero essere realizzati nello stesso posto. Dato il panorama industriale europeo odierno, ha detto, ciò significherebbe in Italia.

Questa citazione sa solo di favoritismi dell'industria locale e dovrebbe, senza prove sostanziali che "liquido" è la strada da percorrere a favore di "solido" , essere abbastanza facile da liquidare come tale. O c'è di più di quanto sembri?

Questa è una domanda doozy! È ovviamente dettagliato e ben studiato. Ma sembra anche qualcosa che trarrebbe beneficio da un'auto-risposta. È difficile dirlo con certezza, ma suona come quello che a volte chiamo un ["stump-the-chumps"] (http://meta.hermeneutics.stackexchange.com/questions/394/should-we-avoid-stump- le-domande-imbecilli). Fondamentalmente, queste sono domande in cui il richiedente ha già una buona idea di quale sia la risposta. Hai preso in considerazione l'idea di suddividere più parti di risposta della domanda e di scrivere invece una risposta effettiva?
@JonEricson - Sto cercando risposte dal punto di vista ingegneristico. Ho già in qualche modo respinto quell'argomento _ "non così economico come pensi" _, e il periodo di tempo di 4 anni più breve per andare con i "solidi" lo ribadisce. Gli argomenti rimanenti contro i "solidi" sono quindi o la motivazione politica (non tanto interessata), o l'ingegneria pura, se non del tutto. Potrei semplicemente chiedere _ "solidi vs liquidi, pro et contra" _, ma un buon esempio come questo dovrebbe scoraggiare le risposte distorte dall'IMO. Nel caso in cui non ricevo una risposta in un lasso di tempo ragionevole, sì, cercherò di approfondire da solo.
Tre risposte:
#1
+15
SafeFastExpressive
2018-02-10 03:53:55 UTC
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Questa è una domanda piuttosto interessante in retrospettiva ora.

Quando è stato chiesto nel 2013, la riutilizzabilità del booster era solo un barlume negli occhi di SpaceX. Il primo tentativo del Falcon 9 di far atterrare un booster non è stato fino al 2015. Ma chiaramente il prezzo di SpaceX era già un problema per l'ESA, il Falcon 9 è più o meno equivalente all'Ariane 5 in capacità di lancio, ma ha sempre avuto un prezzo di circa 1/3 un prezzo Ariane 5. Quindi una domanda è: come ha fatto SpaceX ad avere un così enorme vantaggio in termini di costi prima ancora di padroneggiare la riutilizzabilità?

Una ragione importante per il vantaggio di costo di SpaceX erano i motori a razzo a propellente liquido. SpaceX ha progettato il Falcon 9 con nove motori Merlin identici e una variante minore, il secondo stadio a vuoto Merlin. Hanno lanciato ventidue razzi Falcon 9 dal 2014 al 2016 senza riutilizzarne nessuno. Ciò richiedeva la costruzione di oltre 70 motori Merlin all'anno. Essenzialmente hanno trasformato quello che prima era un processo costruito a mano in una catena di montaggio con tutti i vantaggi che ne derivano. Maggiore produttività di assemblaggio, parti standardizzate possono essere acquistate / costruite a un costo inferiore rispetto a parti personalizzate, un processo irreggimentato che produce prodotti uniformi e la capacità di migliorare il processo e il prodotto nel tempo.

Questo miglioramento è chiaramente avvenuto in il prodotto finale. Il primo motore Merlin (per il Falcon 1) ha prodotto solo 100.000 libbre di spinta, l'attuale versione (FT) genera 210.000 libbre.

I motori a razzo solido non hanno parti mobili, sono semplici da realizzare e difficili da migliorare . Anche se SpaceX avesse optato per nove razzi solidi per il suo primo stadio, ci sarebbero state molte meno opportunità di migliorarli o abbassarne i costi.

L'altra risposta ovvia che non è stata affrontata dagli altri intervistati è potenziare la riutilizzabilità. Non buttare via i tuoi booster ogni lancio è potenzialmente enorme, Elon Musk una volta ha affermato che i costi del carburante per un lancio di Falcon 9 erano solo $ 200.000, o circa il 3% del prezzo di lancio.

I booster a razzo solido non possono essere riutilizzati facilmente, se non del tutto. I propulsori a razzo solido dello Space Shuttle dovevano essere completamente rimessi a nuovo dopo ogni volo. Atterrarono in acqua salata a una buona velocità, che non era buona per il riutilizzo. In definitiva, il costo della ristrutturazione non era molto inferiore al costo dei nuovi booster.

L'ESA ha compreso sia le opportunità di riutilizzabilità che il volume di produzione. In effetti il ​​loro impegno per i motori a razzo di grandi dimensioni potrebbe essere costato loro la capacità di riutilizzare. Secondo wikipedia (usandolo come collegamento perché la fonte originale è in francese).

https://en.wikipedia.org/wiki/Ariane_6#cite_note-FSReusableLiquidMethaneStage-36

"Con-current con la ricerca sui booster fly-back Liquid tra la fine degli anni '90 e l'inizio degli anni 2000, il CNES insieme alla Russia ha concluso studi che indicano che il riutilizzo del primo stadio era economicamente impraticabile in quanto la produzione di dieci razzi all'anno era più economica e più fattibile del recupero, della ristrutturazione e della perdita di prestazioni causata dalla riutilizzabilità. [36] È stato suggerito che con una cadenza di lancio di Arianespace di 12 voli all'anno che un motore che potesse essere riutilizzato una dozzina di volte avrebbe prodotto una richiesta per un solo motore all'anno rendendo impraticabile il supporto di una catena di fornitura di produzione di motori in corso. "

L'uso di un solo motore per lancio significa che dodici lanci all'anno non sviluppano quasi lo stesso volume di produzione per migliorare i costi e le prestazioni del motore. L'uso di solidi booster a razzo come complemento significa che puoi solo riportare indietro il core booster, quindi la riutilizzabilità risparmierebbe solo una parte molto minore dei costi dello stack di lancio.

Grazie per aver scoperto questo. Allora non sapevo che il CNES esaminasse la riusabilità.
Un altro punto interessante, in retrospettiva, è che possono potenzialmente sostituire l'unico motore grande con diversi piccoli, cosa che sembrano fare ad un certo punto lungo la linea con i motori Prometheus.
@eth Sì, penso che più motori siano il futuro per quasi tutti i provider di lancio. L'N1 era troppo avanti rispetto ai tempi e lo sviluppo è troppo timido rispetto alle risorse per avere successo. Ma con il CAD moderno e la modellazione computerizzata che utilizza grandi gruppi di motori a combustibile liquido non è solo fattibile, è praticamente ottimale. Il volume di produzione più elevato riduce i costi e la capacità di accelerare profondamente fino a un singolo motore da un gruppo è la chiave per supportare il riutilizzo economico tramite RTLS e sbarchi su chiatte.
#2
+15
Palladio
2014-03-24 13:53:46 UTC
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Penso che tu conosca già la risposta, non è proprio una questione tecnica, è (principalmente) politica. I tedeschi hanno esperienza con i motori a liquido (fanno le parti principali per il motore principale a liquido di Ariane 5) e gli italiani hanno esperienza con i combustibili solidi (fanno parte dei solidi booster per Ariane 5 e la maggior parte del Vega-rocket a propellente solido ). Ce ne sono altri coinvolti nei diversi motori, ma queste sono le basi. I francesi (anche se coinvolti anche nel motore principale liquido) hanno probabilmente una preferenza per il combustibile solido perché esiste una relazione diretta tra i booster solidi dell'Ariane 5 e i missili nucleari sottomarini francesi.

Rapido commenti sul tuo riepilogo:

  • Uno stadio di razzo con motori liquidi può essere testato prima del lancio per assicurarsi che funzioni. Basta alimentarlo di nuovo e lanciarlo. SpaceX accende i motori sulla rampa di lancio per un paio di secondi come test finale un paio di giorni prima del lancio. Non è possibile farlo con i solidi ...

  • Sì, i razzi solidi vibrano di più, ma questo non è davvero un problema a meno che tu non stia lanciando persone. Molti razzi per lo più a propellente solido che lanciano satelliti nel mondo. Il razzo NASA suggerito per il lancio di persone che utilizzavano un solido booster dalla navetta come primo stadio apparentemente aveva seri problemi con le vibrazioni.

  • L'acido cloridrico e i composti di alluminio sono l'inquinamento da combustibile solido . Quindi, per motivi ambientali, forse si dovrebbe attenersi a ossigeno liquido + idrogeno liquido, solo vapore acqueo come scarico. E ci vogliono solo acqua ed elettricità per fare le cose.

Per finire. Il vero problema per Ariane 6 (e 5) è che nessuno di loro può competere con SpaceX. L'Europa dovrebbe davvero cercare di aggirare l'inefficienza politica nello stesso modo in cui la NASA sta cercando di fare, con una vera concorrenza di libero mercato.

#3
+10
PearsonArtPhoto
2013-09-18 05:46:54 UTC
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Ok, ecco la ripartizione generale nel dibattito Solids vs Liquids, con un po 'di aiuto da Wikipedia, ESA e NASA:

Solidi : i razzi a combustibile solido devono essere fabbricati in un ambiente controllato. Se non costruiti correttamente, possono presentare impurità che provocano espansioni incontrollate (esplosioni). In generale sono più sicuri dei liquidi e non richiedono precauzioni speciali. I requisiti del pad sono più semplici. La maggior parte dei modellini di razzi sono combustibili solidi e, in effetti, tutto ciò di cui hanno veramente bisogno è una fonte di accensione, oltre alla verifica dell'attrezzatura. Non hanno la capacità di accelerare su richiesta, sebbene possano essere costruiti in modo tale da accelerare secondo una velocità predeterminata. Possono essere fermati in qualsiasi momento espellendo il nucleo solido. I requisiti del razzo attorno al motore sono piuttosto lenti e non ci sono parti mobili, a parte un ugello e le alette normalmente regolabili per l'uso atmosferico.

Liquidi La maggior parte dei razzi liquidi sono criogenici o tossici e richiedono che almeno alcuni componenti siano caricati sulla piattaforma del razzo. Sono regolabili su richiesta, consentono una maggiore flessibilità in caso di problemi e possono essere arrestati e riavviati. Di solito non è sicuro essere vicino a un razzo liquido alimentato, di solito richiede l'evacuazione del pad prima del rifornimento. Questo rifornimento richiede un lavoro extra negli ultimi minuti. I razzi liquidi sono generalmente più complessi, ma di solito offrono ISP migliori dei solidi.

Va ​​bene, quindi quando vuoi lanciare un razzo in orbita, perché ne vorresti uno contro l'altro?

Solido - Di solito leggermente più economico e più facile da usare, generalmente meno massiccio. Potrebbe consentire un più rapido riutilizzo del pad.

Liquido Più flessibile in caso di problemi, consente una più ampia gamma di missioni.

Usare razzi solidi per i primi stadi potrebbe migliorare le capacità, come ha dimostrato lo Space Shuttle, ma lo stadio superiore dovrebbe essere liquido o almeno Hyrbid, altrimenti non otterrai la precisione desiderata.

Vibrazioni I razzi alimentati a liquido bruciano a una velocità molto continua e quindi hanno relativamente poche vibrazioni. Leggere impurità nel combustibile solido possono far variare la velocità di combustione, provocando un livello più elevato di vibrazioni. In particolare, cercare di ottenere aggiustamenti di rotta di precisione con un razzo a propellente solido è molto difficile, poiché nel processo si verificano vibrazioni extra.

Tossicità La maggior parte dei gas di scarico dei razzi liquidi è acqua o prodotti chimici, con conseguente danno minimo dal loro scarico. I razzi a combustibile solido hanno scarichi leggermente più esotici, che causeranno più danni dell'acqua, ma sono comunque relativamente benigni. In conclusione qui, dipende dal tipo di carburante che usi, ci sono opzioni buone e cattive per l'ambiente tra ciascuna. I liquidi tendono ad essere più estremi nel buono / cattivo rispetto ai solidi, che tendono ad essere più costantemente a metà strada.

Fantastico, ma ti sentiresti sicuro di trarre conclusioni o raccomandazioni riguardo alla citata proposta di prima fase a combustibile solido per Ariane 6 e la sua opposizione? La mia comprensione è che l'ESA ha proposto l'uso di due diverse configurazioni del primo stadio a seconda delle orbite tentate e dei requisiti di carico utile, e lo stadio superiore è criogenico, quindi le bruciature del primo stadio dovrebbero essere abbastanza standard con non molta correzione della rotta / acceleratore in corso nella parte inferiore atmosfera, le vibrazioni potrebbero essere risolte con i dumper e comunque ci sono inquinanti in entrambi i casi. 4 anni in più sono un sacco di tempo ...
È difficile giudicare le conclusioni senza vedere molti dettagli tecnici, ma non credo che farebbe molta differenza. Non sembra esserci un argomento convincente in un modo o nell'altro, se me lo chiedi. Quale è meglio, Android o iPhone?
Beh, ovviamente è quello che ho. : P Ad ogni modo, volevo che tu potessi pensare a come applicare questi solidi vs liquidi a una sorta di conclusione che si applichi direttamente alla natura della domanda. Cioè quelle tre domande secondarie che ho elencato. In conclusione, non essere in grado di supportarne nessuno in particolare rispetto agli altri suona come una conclusione per me, soprattutto visti i 4 anni in più per sviluppare Ariane 6 con un primo stadio liquido piuttosto che attenersi alla proposta attuale di andare con i solidi. Probabilmente potrebbero progettare Ariane 7 che avrebbe un primo stadio liquido durante il periodo di tempo supplementare. ;)


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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