Czy wystrzelone w powietrze samoloty kosmiczne mogą osiągnąć prędkości ucieczki?

Rakiety takie jak Ariane 5 ważą setki ton, ale przy około 85% tej masy stanowią paliwo, ułamek ładunku wynosi tylko około 3% (~ 10-20 ton).

Virgin Galactic buduje suborbitalne samoloty kosmiczne , głównie w celach turystycznych. Lecą około Mach 4, zbyt wolno, aby uciec z ziemi.

Zastanawiam się teraz, czy wystrzelony w powietrze statek kosmiczny w ciągu najbliższych 20 lat realistycznie mógłby naprawdę polecieć na Księżyc - to znaczy, czy mógłby osiągnąć prędkości ucieczki?

Jak w przypadku bocznego pytania mogą: byliby bardziej lub mniej wydajne niż standardowe rakiet, takich jak Saturn V ? Ile ładunków byłoby realistycznie możliwych do transportu?

Wierzcie lub nie, moglibyśmy to zrobić 50 lat temu, gdyby fundusze rządowe nie zostały wycofane z projektu w ostatniej chwili. Frustrujące jest to, że po latach pracy naukowców, inżynierów i techników projekt Boeinga X-20 Dyna-Soar został anulowany tuż po rozpoczęciu prac nad rzeczywistym statkiem kosmicznym.

Oto wrażenie artysty na X-20:

X-20 był rezultatem programu wojskowego, którego celem było opracowanie orbitalnego statku kosmicznego, który miałby służyć do bombardowania i rozpoznania. Został zaprojektowany do wystrzelenia na orbitę i pozostania tam przez krótki czas. Pomimo niewielkich rozmiarów - tylko 35 stóp długości - teoretycznie osiągałby prędkości orbitalne po starcie. Udało mu się dostać do Macha 18 podczas próbnych testów poślizgu.

$^1$

_{(źródło: astronautix.com )}

Były dwie wersje Bomi: suborbitalna o maksymalnej prędkości Mach 4 i orbitalna o maksymalnej prędkości - cóż, prędkości orbitalnej. Prawdopodobnie tym drugim jesteś zainteresowany. Miałby 23 metry długości i miałby ładowność 34 000 kilogramów - wystarczyłoby na dwie bomby nuklearne.

Obie wersje zostałyby uruchomione na jakimś wyrzutni - większym pojeździe, do którego pokazana jest Bomi. Ten projekt może również zostać zmieniony w zależności od tego, czy lot miał być orbitalny czy sub-orbitalny.

Bomi została ostatecznie anulowana, ponieważ środki finansowe zostały przeznaczone na Dyna-Soar (X-20), który następnie spotkał ten sam los. Ale Dyna-Soar minęła etap prób poślizgu (został zrzucony z B-52) i prawie faktycznie dotarła w kosmos. Gdyby zasoby zostały przeniesione do Bomi, mogłoby się to udać.

Czy Bomi mogła uciec z orbity Ziemi? Przy odrobinie pracy może to mieć. Pomyśl, jak ewoluowały różne rodziny rakiet. Różne typy mogą spełniać różne misje. Saturn V był efektem końcowym mniejszych, suborbitalnych i orbitalnych rakiet. Gdyby Bomi zostało opracowane w stopniu objętym programem Apollo, myślę, że bardzo prawdopodobne, że udało mu się wydostać z orbity Ziemi.

$^1$

Zastanawiam się teraz, czy wystrzelony w powietrze statek kosmiczny w ciągu najbliższych 20 lat realistycznie mógłby naprawdę polecieć na Księżyc - to znaczy, czy mógłby osiągnąć prędkości ucieczki?

• Lot do LEO: Gotowe teraz

• Start powietrzny na orbitę księżycową - tak, ale przy 20–25% ładunku LEO

• Start samolotów na Księżyc i powrót do LEO: Tak, ale z około 5% ładowności LEO

• Łatwo przeoczyć niektóre praktyczne sytuacje, gdy lubisz systemy papierowe.
  Nie można przeoczyć stosunku masy pojazdu powietrznego do skrzydlatej masy powrotnej do bazy statku-matki. Rozmiar statku-matki wyznacza górną granicę masy pojazdu kosmicznego. Zwiększenie masy ładunku ciężkiego samolotu powyżej ciężaru może być możliwe np. W przypadku balonów, ale wymaga to niektórych wyjątkowo wyspecjalizowanych systemów. Patrząc na poniższe liczby, wygląda na to, że załogowy księżycowy powrót na powierzchnię ziemi jest nierealistycznie wysokim oczekiwaniem na układy powietrzne. Małe bezzałogowe statki na orbitę księżycową są praktyczne.

Odpowiedź brzmi „tak, oczywiście”, ponieważ możesz zbudować mniejszą wyrzutnię księżycową, niż jest to zwykle używane, i możesz zbudować środki do jej uruchomienia. np. uruchomienie balonu może pozwolić na uzyskanie bardzo dużej masy i zostało zaproponowane w różnych badaniach.

Dowód na istnienie ogólnej koncepcji ma postać kilku samolotów orbitalnych „Orbital Sciences Corporation”. Są one używane tylko do wstawiania LEO (niska orbita ziemska), ale prędkość ucieczki byłaby możliwa do osiągnięcia przy odpowiednio małej ładowności.

Poniższy materiał podaje przykłady tego, co można realistycznie osiągnąć w oparciu o istniejące małe wyrzutnie satelitarne LEO wystrzeliwane w powietrze oraz taką, jaka była wówczas w 2013 r. Propozycja Orbital Sciences, Burt Rutan i Paul Allen.

To pokazuje, że nieistotna wyprawa powietrzna może dostarczyć na orbitę księżycową około 800 do 1000 funtów - więcej przy całkowicie nowatorskich paliwach i systemach, a nawet większych „statkach-matkach”. Jest to niewygodnie mniejsze niż to, co realnie chcesz dostarczyć jednej osobie na orbitę księżycową iz powrotem. Chociaż skalowanie jest możliwe, nie wygląda atrakcyjnie na wieloosobowe księżycowe loty powrotne.

Zaletą wypuszczania z lotu ptaka nie jest sam wzrost wysokości, ale znaczny wzrost zmniejszonego oporu powietrza i niewielki wzrost prędkości. Chociaż prędkość wystrzeliwania w powietrze jest niewielkim ułamkiem prędkości orbitalnej, wyrzutnia naziemna musi dodać prędkość początkową, utrzymując jednocześnie maksymalną masę przeciwdziałającą grawitacji. Jest to niewielkie w porównaniu do strat oporu powietrza, ale przydatne. Opór powietrza zmniejsza się o połowęco 15 000 stóp, a opór jest odwrotnie związany z gęstością powietrza. Przeciąganie jest proporcjonalne do kwadratu prędkości - więc jeśli możesz zacząć wolniej i wyżej, może to znacznie pomóc. Ostatecznie będziesz potrzebować bardzo dużej „poziomej” prędkości na orbitę, ale początkowo wstanie z gęstej dolnej atmosfery przy minimalnych stratach jest niezwykle ważne. „Statek macierzysty” ma skrzydła i silniki oddychające powietrzem, a paliwo jest tanie w porównaniu z kosztem przenoszenia go na duże wysokości i duże prędkości, więc system powietrzny zapewnia wzrost kosztów i możliwości pojazdu startowego w sytuacjach, w których można rozsądnie zbudować wystarczająco duży „statek-matka”. W przypadku małych ładunków LEO jest to wyjątkowo opłacalne (i używane), w przypadku bardzo małych jednokierunkowych ładunków księżycowych jest to wykonalne, ale w przypadku powrotu księżyca,

Oto wideo z lotniczej premiery XL Systems „Pegasus” . To pokazuje akcję od momentu tuż przed uruchomieniem do wypalenia na pierwszym etapie.

Pokazany jest „następny etap” tej funkcji z maja 2013 r.
Stratolaunch and Orbital - The Launch of Air Launch . Jak to zostało zmodyfikowane przez nowsze wydarzenia, nie wiem, ale pokazało to, co było planowane w 2013 roku, więc ma to znaczenie dla twojego pytania.

Ta wyrzutnia zaproponowała LEO ładowność 13 500 funtów.
To nie jest ogromne - ale zdecydowanie zapewnia użyteczną ładowność

Przypisanie względnych wymagań delta V i paliwa do misji jest zbyt złożone, aby umożliwić uproszczone odpowiedzi, które obejmują więcej niż konkretne przykłady, ale jako naprawdę bardzo przybliżone wskazanie, „delta-V” od LEO do orbity księżycowej wynosi około 40% wymagane do osiągnięcia LEO z powierzchni ziemi. Poniższa tabela zawiera zmiany prędkości potrzebne do różnych przejść orbitalnych i lokalizacji. Daje to 3,9 km / s jako delta V potrzebna od LEO do orbity księżycowej.

Podstawowym wzorem do obliczania zmiany prędkości dla rakiety jest (nie zaskakujące) „równanie rakiety:

• V = Isp xgx ln (M2 / M1)

  Isp = impuls właściwy paliwa
  M2 = masa początkowa
  M1 = masa końcowa g = stała grawitacyjna (~~ = 10 m / s / s)

Zadzwoń do M2 / M1 = stosunek masy = MR.

Użycie skromnego jak na współczesne standardy Isp 300, do wytworzenia delta-V, powiedzmy 4000 m / S, wymaga MR około 3,7 lub masy końcowej ~ = 1 / 3,7 = 27% całości.
O 25% powyższych 13,500 funtów można by dostarczyć na orbitę księżycową
= ~ 3375 funtów = 1,5 tony
~ = 1,5 tony :-)

To z kolei może zwrócić LEO około 840 funtów i mniejszą ilość z powrotem na ziemię. Poniższa tabela pochodzi z tej strony uniwersytetu w Delft

Związane z:

Zdjęcia wyrzutni Pegasus z linkami

OSC Pegasus - 44 wprowadza na rynek od 1990 roku.

Pegasus XL - 443 kg na LEO, więc O 100 kg na orbitę księżycową.

Misja NASA Pegasus 2014

Strona OSC na Facebooku

Wewnętrzny wykres delta V.

Z ** Wikipedia - Delta-v budżet,
a także używany w tym stosie wymiany stosu

Rozpocznij swój model mentalny, zakładając tor lotu rakiety. Wykres prędkości / wysokości w funkcji czasu dla promu kosmicznego:

_{(źródło: aerospaceweb.org )}

$Isp$

Zamiast tego użyjmy F-414. Kosztuje około 4 milionów dolarów i może być użyteczny do około Macha 2 z odpowiednio zaprojektowanym wlotem, a prędkość naprawdę pomaga nam wytworzyć ciśnienie tłoka, które zasila styl strumieniowego dopalacza. Otrzymujemy 26 000 funtów ciągu za jedyne 4 miliony dolarów i dłuższe spalanie, lepsze, ale nie gwiezdne. Rakieta jesteśmy podnosząc wciąż musi być gigantyczna, więc nie jesteśmy , że dobrze się jeszcze.

$Isp$

Więc ... silniki z oddychaniem nie generują tony ciągu na dolara i mają niski zakres prędkości. Skrzydła unoszą się w tempie około 16: 1, dzięki czemu możemy używać naszych silników, aby powoli przyspieszać i lecieć do 40 000 stóp i Mach 1. To nie zaoszczędzi tony masy rakiety, ponieważ wynosi ona około 1/25 prędkości końcowej i jedna minuta przeciągnięcia. Powiedzmy, że zmniejszamy wagę o 20% i potrzebujemy tylko 900 000 funtów.

Model 747-8 przenosi ładunek o wartości 308 000 funtów i kosztuje około 350 000 000 USD . Załóżmy, że koszty i skala cargo liniowo, my przynajmniej patrząc na $ 700,000,000 wyrzutni, dalekie od $ 54m, amortyzowane przez liczbę startów, ale tak jest koszt rozwoju, który dla 747-8 była $ 3,7 mld Ponownie, skalując liniowo, potrzebujemy około 8 miliardów dolarów, aby rozłożyć się na wiele premier. SpaceX niedawno zebrał 1 miliard dolarów od Google i Fido, co nie wystarczy.

Dylemat polega na uruchomieniu ładunków za pomocą samolotów z powietrzem. Albo potrzebujesz znacznie tańszego silnika odrzutowego o większej sile ciągu, który rozwija ciąg przy zerowej prędkości, albo wrócisz do rakiet i rozwijane są techniki odzyskiwania, takie jak ULA i SpaceX.

Wielu próbowało zakładać dłuższe ścieżki powietrza z coraz większą prędkością, ale zaczynasz używać scramjetów, chłodnic wstępnych, zarządzania ciepłem i nigdy nie wydaje się być mniejszy, osiągać wystarczająco dużą obwiednię lub osiągać wystarczająco wysoką prędkość i tak ma znaczenie dla ewentualnej rakiety.