[AR] Re: fuel depots

  • From: William Claybaugh <wclaybaugh2@xxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Wed, 28 Aug 2019 10:48:44 -0600

Henry:

I’m just asking....

If the upper stage is able to refuel in LEO and then do a full lunar
surface and return mission then it must be a near SSTO vehicle on it’s own;
which raises a question as to why it would need that huge first stage...a
few strap-on’s would be sufficient to put it in LEO.

If the two stage vehicle is velocity optimized for LEO then the second
stage would require at least two refuelings to complete a lunar surface
mission (presumably one in LEO and one in LLO, although other options
exist).

Bill

On Wed, Aug 28, 2019 at 10:17 AM Henry Vanderbilt <
hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx> wrote:

Bill,

Keep in mind that the Wikipedia Starship dry mass and propellant mass data
I worked from was all labelled "needs updating".  In fact, the remarkably
close agreement between my 1111 tons of propellant needed for a LEO-lunar
mission and the Wiki listing of 1100 tons capacity leads me to suspect the
possibility that someone may have backfigured those Wiki numbers from
SpaceX's statements that Starship would be capable of such missions.

I might guess from the utter public lack of hard data that final stage
masses and overall delta V split of that two-stage system have not in fact
yet been set by SpaceX.  I would not be surprised if they're waiting till
they have more flight data from the various prototypes (and possibly more
data as to who the most likely customers are) before they finally pin all
that down.

Which makes perfect sense to me.  The more data you have when you attempt
to optimize a system, the better your chances are of actually arriving at
something close enough to optimum to be economically viable.

That said, it occurs to me they may well make the decision to include
enough additional tankage on their upper stage to allow it to fly lunar
surface missions even if that extra capacity isn't used on routine LEO
launches, accepting the additional dry mass penalty for the extra utility.

In fact, some such extra capacity is implicit in the idea of being able to
deliver to LEO either 100 tons dry payload or 100 tons propellant...

Henry

On 8/28/2019 7:16 AM, William Claybaugh wrote:

Jim, et al:

Help me out here: SpaceX’s vehicle is a two stage system.  If they have
optimally splint delta-v then the upper stage is good for about Mach 15,
flying on it’s own.  That is not enough energy to get to the lunar surface
and return.

It looks to me like the upper stage is probably capable of a circum-lunar
mission if fully refueled but is going to require a second refueling to get
to the surface and return.  Is that not correct?

Bill



On Wed, Aug 28, 2019 at 7:38 AM James Fackert <jimfackert@xxxxxxxxx>
wrote:

Henry is the king of analysis on a table napkin!
So about 10 tanker flights to refuel a Starship to head for the moon.
Still no need for a permanent fuel depot.
First tanker parks in refueling position optimal for the mission, 9 (?)
more tanker flights meet it, dump their payloads and go back for more.
Mission Starship meets it, tanks up and heads out,  and the prime tanker
heads home for the next mission.
As has been pointed out, there is no optimal position for a depot and no
need to develop a specialized depot until the traffic on the lunar rail
line warrants it.

jim fackert


On 8/27/2019 8:51 AM, Henry Vanderbilt wrote:

RE the commonly-assumed one tanker flight per Starship Lunar mission...
When in doubt, run the numbers.  Delta V = LN(MR) x Vexh isn't just a good
idea, it's the law.   (That's natural logarithm of the ratio of the ship's
pre-all-burns-mass/post-all-burns-mass, time the rocket motor's exhaust
velocity, equals the overall ship's velocity change.  All you need is a
calculator with an Ln key and you too can play rocket scientist on the
internet!)

That said, ahem, I believe SpaceX's proposed LEO-Lunar missions for
refueled Starship will require multiple tanker flights.

LEO-Lunar surface requires delta V in the neighborhood of 5.5 km/s, the
return roughly 3 km/s less with aerobraked reentry.  Ship data: Wikipedia
figures (all of which are labeled "needs updating") say Starship dry mass
is 85 tons, full propellant load 1100 tons, LEO payload 100 tons.  And a
good LOX-CH4 engine should manage a vacuum Isp around 360 seconds, AKA
exhaust velocity around 3.5 km/s.

So let's assume we're delivering the max 100 ton payload to Luna and
coming back empty.  So we break the trip down into two parts.

We'll calculate coming back first, because the propellant we'll need to
carry for that has to be part of the outbound leg number.

With 3.5 km/s exhaust velocity, the rocket equation says to reach 2.5 km/s
delta V to return from Luna to Earth reentry, you need mass ratio 2.  So
for an 85 ton Starship, that's 85 tons of propellant.  Not bad so far, less
than one 100-ton Starship payload earth-to-LEO.

But for the outbound LEO-to-Lunar-surface leg, our total ship mass at
landing on Luna has to be 85 tons of Starship plus 100 tons of payload plus
85 tons of return propellant, 270 tons.  And for the outbound delta V of
5.5 km/s, we need a mass ratio of 4.8.
(Propellant+delivered-mass/delivered-mass)  So, 3.8 times 270 tons equals
1026 tons of additional propellant in LEO.  With the 85 tons return
propellant, 1111 total tons of propellant in LEO at the start of our Lunar
trip.  Given we're using ballpark numbers, that's remarkably close to
Starship's listed max propellant load of 1100 tons.

So, that's 11 Starship tanker flights at 100 tons propellant each to
support one full-load Starship flight to Luna.  You might cut that to 9 or
10 flights by using a stripped-down version of Starship as tanker, but at
85 tons dry for that capability there's not a lot to strip.)

My take, mentioned earlier, is that SpaceX is skipping a LEO propellant
depot for these missions not because it wouldn't make sense for them -
having a loaded crewed Starship hanging around in LEO through ~10 tanker
arrivals is both a cost and a risk - but because a tanker version of
Starship is less current load on their already highly-loaded engineering
(and likely also fiscal) bandwidth than a separate depot.

I think this is a good business decision, mind - time enough to spend
resources on a LEO propellant depot when they get to the point where the
costs of ~10 tanker rendezvous per Lunar flight start becoming obvious.

Henry

On 8/27/2019 7:48 AM, James Fackert wrote:

Maybe the orbiting fuel depot as a separate entity is not optimal.  The
fuel depot implies that there is a requirement for a much larger supply of
fuel than a single tanker can bring up.
SpaceX's plan seems to be to launch a big tanker to an appropriate orbit,
then launch the ship that needs refueling to meet it, tank up and move
along to whatever destination it is headed.
Tanker returns home, to load up to supply the next mission.

When you have a big ship with lots of supplies and living space and stuff
for a real long term mission rather than a touch and go, you also have a
ship capable of being a tanker that can bring enough fuel in one flight to
refuel that ship for an extended lunar or interplanetary mission and return.

Now all you need is a nice big reusable booster to loft those guys.
Sound like a plan?





Other related posts: