Могут ли космические самолеты, запускаемые с воздуха, достичь скоростей побега?

Ракеты, такие как Ariane 5, весят сотни тонн, но, поскольку около 85% этого веса составляют топливо, доля полезной нагрузки составляет всего около 3% (~ 10-20 тонн).

Virgin Galactic строит суборбитальные космические самолеты , в основном для целей туризма. Они летят около 4 Маха, слишком медленно, чтобы покинуть Землю.

Теперь мне интересно, могли ли космические корабли, запущенные с воздуха, в следующие 20 лет реально полететь на Луну, то есть достичь скоростей побега?

В качестве дополнительного вопроса, если они могут: они будут более или менее экономичны, чем стандартные ракеты, такие как Сатурн V ? Сколько полезного груза будет реально переносимым?

Верьте или нет, мы могли бы сделать это 50 лет назад, если бы государственное финансирование не было получено из проекта в последнюю минуту. К сожалению, после многолетней работы ученых, инженеров и техников проект Boeing X-20 Dyna-Soar был отменен сразу после начала работ на реальном космическом корабле.

Вот впечатление художника от Х-20:

X-20 был результатом военной программы, направленной на разработку орбитального космического самолета, который будет использоваться для бомбардировок и разведки. Он был разработан для запуска на орбиту и недолгого пребывания там. Несмотря на небольшой размер - всего 35 футов в длину - теоретически он достигнет орбитальной скорости после запуска. Ему удалось добраться до Маха 18 во время тренировочных испытаний.

X-20 был разработан не для запуска по воздуху, а для запуска над ракетой Titan III . Тем не менее , похожий дизайн - предшественник X-20, если хотите - под названием Bomi, был разработан для запуска таким образом. Здесь - сравнение Bomi (слева), X-20 (два справа) и Robo, связанного проекта:$^1$

_{(источник: astronautix.com )}

Существовали две версии Bomi: суборбитальная, с максимальной скоростью 4 Маха, и орбитальная, с максимальной скоростью - ну, орбитальная скорость. Последний, вероятно, тот, который вас интересует. Он был бы длиной 23 фута и имел бы полезную нагрузку в 34 000 килограммов - достаточно для двух ядерных бомб.

Обе версии были бы запущены на какой-то пусковой установке - более крупном транспортном средстве, к которому прилагается Bomi. Этот дизайн также может быть изменен в зависимости от того, должен ли полет быть орбитальным или суборбитальным.

Bomi был в конечном счете отменен, поскольку финансирование было потянуто для Dyna-Soar (X-20), который тогда постигла та же участь. Но Dyna-Soar прошел стадию испытания на скольжении (будучи сброшенным с B-52), и почти фактически сделал это в космос. Если бы ресурсы были перенесены в Боми, это могло бы быть успешным.

Мог ли Боми сбежать с земной орбиты? С небольшим количеством работы это могло бы иметь. Подумайте о том, как развивались различные ракетные семьи. Разные типы могут выполнять разные миссии. Сатурн V был конечным результатом меньших, суборбитальных и орбитальных ракет. Если бы Bomi был разработан в рамках программы Apollo, я думаю, вполне вероятно, что он мог бы сделать это с орбиты Земли.

$^1$ Это изображение является общественным достоянием, как указано здесь .

Теперь мне интересно, могли ли космические корабли, запущенные с воздуха, в следующие 20 лет реально полететь на Луну, то есть достичь скоростей побега?

• Воздушный запуск в LEO: сделано сейчас

• Воздушный запуск на лунную орбиту - да, но на 20% -25% полезной нагрузки LEO

• Запуск полета на Луну и обратно в LEO: Да, но с 5% полезной нагрузки LEO

• Легко не заметить некоторые практические реалии, увлекаясь бумажными системами.
  Соотношение массы запущенного воздушного судна к массе возвращаемого на базу крылатого корабля не следует упускать из виду. Размер Mothership устанавливает верхний предел массы космического корабля. Увеличение массы полезного груза самолета большой грузоподъемности может быть возможно, например, с помощью воздушных шаров, но для этого нужны некоторые чрезвычайно специализированные системы. Глядя на рисунки ниже, похоже, что возвращение человека на Луну на поверхность Земли - нереально высокое ожидание для систем, запускаемых с воздуха. Малые беспилотные аппараты на лунную орбиту практичны.

Ответ - «да, очевидно», поскольку вы можете создать лунную пусковую установку меньшего размера, чем обычно используется, и вы, возможно, можете создать средство для ее запуска по воздуху. Например, запуск воздушного шара может дать очень существенную массу и был предложен в различных исследованиях.

Доказательство существования общей концепции представлено в виде нескольких орбитальных аппаратов с воздушным запуском "Orbital Sciences Corporation". Они используются только для ввода LEO (низкой околоземной орбиты), но скорость эвакуации будет достижима, учитывая достаточно малую полезную нагрузку.

В приведенном ниже материале приведены примеры того, чего можно было бы реально достичь на основе существующих небольших спутниковых пусковых установок LEO, запускаемых с воздуха, и предложения, которое было тогда в 2013 году от Orbital Sciences, Берта Рутана и Пола Аллена.

Это демонстрирует, что несущественный запуск с воздуха может доставить от 800 до 1000 фунтов на лунную орбиту - больше с использованием новейших видов топлива и систем или даже более крупных «кораблей». Это неудобно меньше, чем то, что вы реально хотите доставить одному человеку на лунную орбиту и обратно. Хотя масштабирование возможно, оно не выглядит привлекательным для лунных рейсов с несколькими людьми.

Преимущества запуска по воздуху - это не увеличение высоты как таковое, а значительный выигрыш в снижении сопротивления воздуха и небольшой прирост скорости. В то время как скорость запуска воздуха составляет незначительную долю орбитальной скорости, наземная пусковая установка должна добавить начальную скорость, поддерживая максимальную массу против силы тяжести. Это незначительно по сравнению с потерями сопротивления воздуха, но полезно. Половинки сопротивления воздуха околокаждые 15 000 футов, а сопротивление обратно пропорционально зависит от плотности воздуха. А сопротивление пропорционально квадрату скорости - так что если вы можете начать медленнее и выше, это может значительно помочь. В конечном итоге вам понадобится очень существенная «горизонтальная» скорость для орбиты, но изначально чрезвычайно важно выбраться из более толстой нижней атмосферы с минимальными потерями. «Материнский корабль» имеет крылья и воздушно-реактивные двигатели, а топливо дешевое по сравнению со стоимостью перевозки его на большую высоту и на высоких скоростях, поэтому система с воздушным запуском обеспечивает увеличение стоимости и возможностей ракеты-носителя в ситуациях, когда ее можно создать в разумных пределах. достаточно большой "материнский корабль". Для небольших полезных нагрузок LEO это чрезвычайно жизнеспособно (и используется), для очень маленьких односторонних полезных нагрузок Луны это выполнимо, но для возврата на луну,

Вот видео воздушного запуска XL Systems "Пегас" . Это показывает действие непосредственно перед запуском до стадии 1 выгорания.

«Следующая стадия» этой возможности по состоянию на май 2013 года показана здесь.
Stratolaunch и Orbital - Высота воздушного старта . Как это изменилось в результате недавних событий, я не знаю, но это показало, что планировалось в 2013 году, поэтому имеет отношение к вашему вопросу.

Эта пусковая установка предложила НОЛ грузоподъемностью 13 500 фунтов.
Это не обширно - но, безусловно, обеспечивает полезную нагрузку

Распределение относительных дельта V и требований к топливу для миссий слишком сложно, чтобы позволить упрощенные ответы, которые охватывают больше, чем конкретные примеры, но в качестве действительно очень приблизительного указания, «дельта-V» от LEO до лунной орбиты очень приблизительно равна 40% что требуется, чтобы достичь LEO с поверхности земли. В таблице ниже представлены изменения скорости, необходимые для различных орбитальных и локационных переходов. Это дает 3,9 км / с, поскольку дельта V необходима от НОО до лунной орбиты.

Основная формула для расчета изменения скорости для ракеты - это (не удивительно) "уравнение ракеты:

• V = Isp xgx ln (M2 / M1)

  Isp = удельный импульс топлива
  M2 = начальная масса
  M1 = конечная масса g = гравитационная постоянная (~~ = 10 м / с / с)

Звоните M2 / M1 = отношение массы = MR.

Используя скромный по современным стандартам Isp 300, чтобы получить дельта-V, скажем, 4000 м / с, требуется MR около 3,7 или конечная масса ~ = 1 / 3,7 = 27% от общего.
Таким образом, около 25% вышеуказанных 13 500 фунтов могут быть доставлены на лунную орбиту
= ~ 3375 фунтов = 1,5 тонны
~ = 1,5 тонны :-)

Это, в свою очередь, может вернуть около 840 фунтов стерлингов в LEO и гораздо меньшую сумму обратно на землю. Таблица ниже взята с этой университетской страницы Делфта

Связанные с:

Пегас лаунчер картинки со ссылками

OSC Pegasus - 44 запускается с 1990 года.

Pegasus XL - 443 кг до LEO, поэтому около 100 кг до лунной орбиты.

Миссия НАСА Пегас 2014

OSC страница Facebook

Внутренняя система дельта V диаграммы

Из ** Википедии - бюджет Delta-v,
а также использованный в этом стеке пост обмена

Начните свою мысленную модель, предполагая траекторию полета ракеты. График скорости / высоты в зависимости от времени для космического челнока:

_{(источник: aerospaceweb.org )}

Реактивные двигатели лучше $Isp$чем ракеты. Давайте поставим реактивные двигатели на нашу ракету. Сокол 9 выдает около 1,1 млн фунтов тяги, поэтому мы можем использовать GE-90, чтобы добавить 120 000 фунтов, удваивая ускорение на уровне моря. Элон Маск сказал, что Falcon 9 стоит около 54 миллионов долларов за одну ракету. GE-90 стоит около 24 миллионов долларов. К сожалению. Мы добавили к системе 50% стоимости (не включая интеграцию или разработку системы восстановления), и тяга быстро уменьшается с высотой.

Давайте вместо этого будем использовать F-414. Это стоит около 4 миллионов долларов США и может быть полезно примерно до 2 Маха с правильно спроектированным входным отверстием, а скорость действительно помогает нам развить давление плунжера, который питает стиль форсунки форсажной камеры. Мы получаем 26000 фунтов тяги всего за 4 миллиона долларов и более продолжительный, лучше, но не звездный. Ракета мы подъемный все еще должна быть гигантскими, поэтому мы не что достатке еще.

Чистые поршни создают дилемму мертвого веса при старте, добавляя больше ракет на самой медленной фазе ускорения, так что, возможно, мы тоже не сможем там победить. Ramjets только обгонять ракеты в$Isp$ на уровне около 0,5 Маха и не может генерировать полную тягу некоторое время, потому что они будут выпускать воздух вперед, если будут добавлять слишком много топлива, пока давление плунжера не станет достаточно высоким.

Итак, воздушно-реактивные двигатели не генерируют тонны тяги за доллар и имеют диапазон низких скоростей. Крылья поднимаются со скоростью около 16: 1, поэтому мы можем использовать наши двигатели для медленного ускорения и полета до 40000 футов и Маха 1. Это не сэкономит тонну веса ракеты, потому что она примерно на 1/25 его конечной скорости и одна минута сопротивления. Допустим, мы сократили вес на 20%, и нам нужно нести только 900 000 фунтов.

747-8 перевозит 308 000 фунтов груза и стоит около 350 000 000 долларов . Допустим, что расходы и груз масштабируются линейно, мы, по крайней мере, смотрим на пусковую установку стоимостью 700 000 000 долларов , что далеко от 54 млн. Долл. США, амортизируется по количеству запусков, но так же, как и стоимость разработки, которая для 747-8 составляла $ 3,7 млрд. Опять же, для линейного масштабирования нам нужно около 8 миллиардов долларов, чтобы охватить множество запусков. Недавно SpaceX привлекла $ 1 млрд. От Google и Fido, этого недостаточно.

Здесь лежит дилемма запуска полезных грузов с воздушно-реактивными самолетами. Либо вам нужен значительно более дешевый реактивный двигатель с большей тягой к весу, который развивает тягу при нулевой скорости, либо вы возвращаетесь к ракетам и технологиям восстановления, таким как ULA и SpaceX.

Многие пытались использовать более длинные воздушно-дыхательные траектории полета при постоянно растущих скоростях, но вы начинаете использовать скрамджеты, предохладители, управление нагревом, и кажется, что никогда не становится меньше, выполняются на достаточно большой огибающей или достигают достаточно высокой скорости. в любом случае иметь значение для возможной ракеты.