¿Por qué usaron queroseno como propulsor en la primera etapa del Saturno V e hidrógeno líquido en las etapas superiores?

Marshall Space Flight Center (MSFC) consideró usar hidrógeno líquido (LH2) para la etapa S-IC, pero el problema era el volumen de combustible necesario para cumplir con las especificaciones de rendimiento. Ya habían alcanzado el límite práctico para el tamaño de los tanques que se podían construir: a medida que las costuras soldadas longitudinales se alargaban, la distorsión en la sección transversal se hacía más severa.

RP-1 no proporciona tanta energía por unidad de masa como LH2, pero tiene el doble de densidad. La única forma en que podían obtener el impulso total necesario desde la primera etapa era usar el combustible más denso.

Las etapas S-II y S-IVB podrían usar el combustible LH2 más voluminoso (pero mucho más enérgico) una vez que el S-IC hubiera despegado todo el montón.

Otro factor fue que no pudieron obtener el beneficio completo del combustible LH2 al nivel del mar, donde los motores J-2 utilizados para las etapas superiores funcionaban de manera relativamente ineficiente. Usados ​​en la primera etapa, los motores F-1 alimentados por RP-1 superaron a los motores J-2 a nivel del mar. Las cifras de impulso específicas son bastante reveladoras.
Impulso (s) específico (s)
Aspiradora a nivel del mar
F-1: 265302
J-2: 200 425

De hecho, obtuvieron el mejor rendimiento posible para el sistema Saturn V a través de su selección de combustibles para las etapas.

(Fuente: Etapas a Saturno, Roger Bilstein)

El RP-1 (queroseno) utilizado con LOX ha sido una opción bastante popular a través de los años de desarrollo de cohetes, y se ha mantenido fuerte como propulsor en muchos cohetes modernos como Falcon9, Antares y Atlas.

Mientras, el hidrógeno (LH2) domina en gran medida en Impulso específico (Isp) aproximadamente 460 máx. A RP-1 máx. 360. Esto se debe al hecho de que el peso molecular del combustible y el producto de combustión es bajo en LH2 / LOX, lo que proporciona una mayor velocidad de escape .
Además, el hidrógeno proporciona una mayor eficiencia de combustible, así como un escape limpio en su mayoría, vapor de agua inofensivo. El RP-1 de la familia de hidrocarburos libera gases de escape compuestos de óxidos de carbono junto con agua.

En el lado positivo, RP-1 es más barato, más seguro y más estable a temperatura ambiente y permanece frío durante más tiempo en los tanques sin enfriamiento, en contraste con LH2, que debe mantenerse muy frío continuamente.

Sin embargo, en el caso de Saturno V, el factor más dominante fue el tamaño del tanque de combustible.
LH2 debido a su muy baja densidad requiere tanques de almacenamiento de combustible más grandes.
Con la ya enorme etapa F-1, los tanques más grandes no formaban parte del intercambio del sistema de propulsión y RP-1 / LOX se quemó felizmente para llegar a la luna.

La razón más importante es que, si bien el hidrógeno proporciona la mayor cantidad de energía por libra de COMBUSTIBLE, no proporciona la mayor cantidad de energía por límite de BOOSTER. El hidrógeno requería un tanque más grande, con mayor peso y resistencia al viento. Es por eso que el Saturn V y la mayoría de los otros boosters usan queroseno y LOX para la primera etapa.

Además, el hidrógeno es mucho más costoso y debe mantenerse congelado criogénicamente. Si el transbordador espacial hubiera usado queroseno, no habría tenido todos los problemas con el aislamiento y la formación de hielo, y todavía podría estar volando hoy.

El queroseno puede producir 4 veces más energía que otros propulsores, pero también pesa más que otros propulsores líquidos como LOH, por lo que no puede usarse para la segunda etapa o para un uso posterior en el espacio. Tampoco tiene un impulso específico alto, que es el más necesario para lograr el velocidad requerida para viajar en el espacio como segunda etapa

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No soy una persona de refuerzo, pero formé parte de un lanzamiento de Atlas que utilizó queroseno. Sospecho que Tim tiene la decisión correcta: densidad de combustible. No sé si fue von Braun o uno de sus muchachos de nivel inferior quien tomó la decisión final.

Sé que CH4 se está considerando para futuras misiones, y no tengo idea de quién ha estado tomando esas decisiones y por qué (conjeturas aproximadas).

Necesita un gran empuje para despegar y la eficiencia en términos de impulso específico es secundaria. Las etapas superiores tienen más tiempo para quemarse, por lo que pueden usar un empuje más bajo.