Come tutti ben dovremmo sapere una delle idee geniali che si vogliono applicare al falcon heavy è il concetto di cross feeding.
Provo però a spiegarlo in maniera semplice:
Il falcon heavy è composto da 3 booster (in pratica oltre ai motori ci sono 3x2 grossi serbatoi di combustibile e comburente). Alla partenza tutti i 3x9 motori vengono alimentati dai rispettivi serbatoi, ma nel contempo il sistema di cross feeding preleva i propellenti dai serbatoi laterali e ririempe il serbatoio centrale in modo che quando i laterali saranno vuoti e verranno sganciati, il centrale sarà di nuovo completamente pieno ottenendo un rendimento nettamente superiore ad un vettore classico. Se non capite questo andate a ristudiarvi l’equazione del razzo di Tziolkowsky
Un altra soluzione che otterrebbe lo stesso risultato potrebbe essere di alimentare i motori dello stadio centrale per la prima tratta con i propellenti degli stadi laterali per poi switchare sui sui interni allo sgancio, in questo modo basterebbero delle turbopompe piu grosse sui laterali.
Bene, veniamo quindi ora alla mia domanda: perchè mai è cosi difficile ingegneristicamente questo sistema? A terra i serbatoio si ririempono banalmente con due tubi propriamente coibentati, è vero che le pompe sono a terra ed in questo caso dovranno essere a bordo del vettore, ma di turbopompe ce ne sono già normalmente, e non devono essere inventate da zero…
Eppure i primi lanci saranno senza cross feeding per problemi tecnici… intuitivamente direi che il problema del RTLS sia molto piu complesso di questo… ma si sa, l’ingegneria dell’aerospazio è spesso molto controintuitiva…
Beh il problema grosso credo sia nella portata enorme che le pompe devono avere per riempire il core o per alimentare i motori centrali mentre si svuotano (e di conseguenza la potenza assorbita).
E così intuitivamente credo che nei Merlin le turbo pompe siano direttamente stadi del propulsore, ma per realizzare il crossfeeding devono essere installate pompe ad hoc, alimentate separatamente e che non alimentano direttamente i propulsori ma spostano “solo” il propellente… il problema credo sia nella realizzazione e nell’installazione di queste con la loro enorme portata…
Quindi o si usano le stesse pompe che alimentano i motori dei booster con portata 1.5 invece che 1, ma capisco che 18 punti di spillamento per lato siano un gran casino, oppure si usano 4 pompe di portata 4.5 ad hoc, ma effettivamente molto grosse e alimentate da che cosa?
Penso che Albyz abbia ragione… non puoi spillare dalle turbopompe, che sono ottimizzate per alimentare la camera di combustione, ed hanno già i loro bei problemi. Quindi devi usare altre pompe, con relativa sorgente di energia. Un possibile trucco forse è montare i serbatoi dei boosters più in alto rispetto al centrale, in modo da fare un cross feed per gravità, almeno parziale.
Non capisco una cosa, ma se quello che si vuole ottenere è giustamente avere un secondo stadio che massimizzi il rapporto pieno su vuoto all’inizio del suo funzionamento, perché non utilizzano semplicemente durante il funzionamento del primo stadio solo i propellenti dei serbatoi laterali per far funzionare tutti e tre i cluster dei motori, e una volta esauriti i serbatoi laterali sganciarli e solo ora iniziare ad usare il serbatoio centrale bello pieno?
Ci ho messo un po’ a capirlo. In pratica il vantaggio non sarebbe al lancio, finché il razzo è ancora tutto insieme, ma quando i booster laterali si staccano, perché grazie a questa soluzione la parte centrale del razzo (chiamiamolo secondo stadio) è strutturalmente più leggera. Quindi il guadagno è sul secondo stadio.
Decisamente geniale come idea
Giusto, tra l’altro non conosco altri motori che abbiano le turbopompe dedicate anche solo parzialmente a pompare propellenti dai serbatoi verso i motori. Al massimo viene utilizzata una parte della loro energia per alimentare le pompe cosiddette di bassa pressione, quelle che servono ad alzare la pressione all’ingresso delle turbopompe stesse per ridurre i fenomeni di cavitazione…
E comunque spostare solamente i propellenti, anche se si tratta di vari quintali al secondo, siccome può essere fatto a bassa pressione richiede tutto sommato ben poca potenza rispetto a quella erogata delle turbopompe principali, a occhio direi nell’ordine di grandezza di anche solo un centesimo. Insomma quale che sia il problema non credo sia nel pompaggio.
Si, e sebbene questo avvenga già coi normali secondi stadi questi però si sono portati a spasso uno o piu motori spenti per il primo tratto. C’è però da dire che il cambio di stadio completo permette anche di avere nel secondo/terzo stadio un ugello ottimizzato per p0 diverso di quello ad altezza mare visto che questo avviene normalmente a decine di km di altitudine; ci mancano ancora gli ugelli variabili per complicare la cosa eheheh
Da quello che ho capito io dovrebbe essere il contrario, ossia si cerca di far pesare il più possibile lo stadio all’inizio del suo funzionamento, chiaramente del peso dei propellenti, in modo che una volta esauriti questi ultimi il rapporto dei pesi tra lo stadio ad inizio funzionamento rispetto alla fine del funzionamento sia il più alto possibile…
L’equazione del razzo infatti determina il delta V come il prodotto di alcune costanti, dell’impulso specifico e di questo rapporto di masse.
Mi correggo, …e del prodotto del logaritmo naturale di questo rapporto di masse.
Comunque il senso non cambia, anzi, considerando che ormai i motori a propulsione chimica hanno raggiunto praticamente il limite teorico di impulso specifico, l’unico vero parametro rimasto a disposizione dei progettisti per cercare di migliorare le prestazioni di un razzo è solo questo rapporto tra le masse.
Ecco un breve passaggio di un articolo molto interessante (su Crosslink) che tratta proprio questo…
What's so hard about launch systems that the expression “it's rocket science” is still used to signify a difficult activity?
The Rocket Equation
To answer these questions, we need to look at the engineering of launch vehicles, beginning with the so-called “rocket equation,” which shows what parameters affect launch vehicle design and what impact they have on launch system reliability. The rocket equation states that the velocity imparted to a payload by a given rocket stage can be found by: ∆v = gIspln(M).
Here, ∆v is the change in velocity, and g is the gravitational constant (i.e., the groundward acceleration caused by Earth’s gravity, 9.8 meters per second per second). The quantity M, the mass ratio, is the ratio of the mass of a fully fueled rocket stage (including any upper stages and payload) to its mass without fuel. The specific impulse, Isp, is a measure of engine performance. To get better performance from a rocket stage, we must increase ei-ther the specific impulse or the mass ratio. Today, the best engines can achieve a specific impulse on the order of 450 seconds, and this is probably about the best we are ever going to see from a chemical rocket. Specific impulse is mainly determined by the chemistry of the propellants, and it seems likely that after decades of experimenting, we are already using the most energetic propellant combinations that are technically useful. This limitation on specific impulse leaves mass ratio as the only parameter that can be modified to improve performance. Mass ratio is simply a function of how much propellant can be loaded into the lightest possible structure—a property known as structural efficiency. The more efficient the launch vehicle is, the lighter it will be without fuel. A modern rocket stage will be 10 to 20 times more massive when it is fully fueled then when it is empty
per quello che si legge in giro, il cross-feed del Falcon Heavy funziona alimentando 6 dei motori del core centrale con i propellenti dei booster laterali (3 per ciascun booster), non i sono turbopompe aggiuntive che spostano propellenti dai booster al core.
La conosco bene l’equazione di zio coschi
Il punto è ridurre il rapporto massa a secco rispetto alla massa totale.
La massa del propellente dipende dalla massa a secco secondo tsiolkowskij, ma la massa a secco dipende a sua volta dalla massa del propellente (più propellente corrisponde a un serbatoio più grande e più pesante).
Spostando propellente dal booster centrale a quelli laterali, si otterrà un booster centrale più leggero e quelli laterali più pesanti. Al lancio non fa nessuna differenza, perché il razzo è ancora tutto d’un pezzo. Quando invece i booster laterali si staccano, il booster centrale (secondo stadio, o stadio1.5) è strutturalmente più leggero, ed è lì che sta il guadagno…
Un immagine tratta da ksp che mostra l’efficienza del crossfeeding. Praticamente il vantaggio sta nel fatto che la massa inerte: serbatoi, turbopompe e motori; diminuisce molto più in fretta rispetto a un serial staging tradizionale.
La stessa immagine a risoluzione un po’ più alta: http://wiki.kerbalspaceprogram.com/images/5/5d/Radial_Design_Comparison.jpeg
Usando KSP ho constatato che usare il crossfeed fra i vari stadi consente un bel guadagno in termini di Delta-V.
Per quanto riguarda l’Asparagus, sinceramente spero di non vederlo mai fatto dal vero, mi sembra una maniera molto antieconomica di viaggiare, anche se ha i suoi indubbi vantaggi.
