[AR] Re: fuel depots

  • From: Henry Vanderbilt <hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Wed, 28 Aug 2019 11:11:26 -0700

Bill,

Why then the huge first stage?  Because they're not designing their system for that one market, but for a range of markets.

As for the glide-back strap-ons (I /like/ that for a pop band name...) sure it's doable.  But, it's a whole separate new supersonic vehicle development project.  AKA an expensive distraction and a gross violation of the KISS principle.

Henry

On 8/28/2019 10:57 AM, William Claybaugh wrote:

Henry:

Good point about suborbital markets:  as I recall from pre-X33 studies, Edwards to Woomera was an about a Mach 22 problem; thus a single stage trans Pacific capability would be close to SSTO and might be enough for a lunar surface return mission from LEO.  But why then the huge first stage?

Observe that there is no reason a strap-on can’t be fully reusable: glide-back RTLS is possible up to Mach 3 and jet back up to Mach 6.

Bill

On Wed, Aug 28, 2019 at 11:49 AM Henry Vanderbilt <hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx <mailto:hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx>> wrote:

    Bill,

    The correct person to ask these things is named Elon, and good
    luck with that.

    If you want my speculation on the matter however, I'm happy to
    share.  I might guess the big-picture answer to your question is
    that, future markets being guessable but not knowable, SpaceX may
    be aiming to maximize overall system versatility, rather than
    optimizing for one particular mission.  With the observation that
    "a few strap-ons" is not nearly as obvious an option for someone
    focused on high operability as it may be from a trad-space
    perspective.

    Speaking of versatility, and lunar missions aside, a few strap-ons
    short of orbit is also not that bad a place to be for single-stage
    long-distance Earth point-to-point, a market that SpaceX has been
    openly courting.

    If it all means that the LEO payload is, say, 100 tons rather than
    120, them's the trades.  (Figuring 20 tons extra tankage should be
    good for 400-500 tons CH4-LOX at ~20-25:1 tank mass fraction.)

    (I would expect that if in the long run LEO cargo is a big enough
    market, a short-tank version of Starship might well then emerge.)


    Henry

    On 8/28/2019 9:48 AM, William Claybaugh wrote:
    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 <mailto: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 <mailto: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: