שְׁאֵלָה:
האם מטוסי חלל המשוגרים באוויר יכולים להגיע למהירויות בריחה?
Trilarion
2015-02-07 02:51:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

רקטות כמו Ariane 5 שוקלות מאות טונות, אך כאשר כ -85% ממשקל זה הוא דלק, חלק המטען הוא כ -3% בלבד (~ 10-20 טון).

חברת Virgin Galactic בונה מטוסי חלל תת-עירוניים, בעיקר למטרות תיירות. הם טסים בסביבות מאך 4, איטיים מכדי לברוח מכדור הארץ.

עכשיו, אני תוהה אם חללית שהושקה באוויר ב -20 השנים הבאות באמת יכולה להטיס אותנו לירח - כלומר, האם הם יכולים להגיע לברוח ממהירויות?

כשאלה צדדית למקרה שהם יכולים: האם הם יהיו פחות או יותר חסכוניים בדלק מאשר רקטות סטנדרטיות כמו סטורן V? כמה מטען ניתן להעביר באופן מציאותי?

אולי עדיף לשאול את השאלה הזו או להעביר אותה לאתר חקר החלל של Stack Exchange; הוא עוסק ברכבי שיגור ומלאכות חלל.
@Fred אה לא ידעתי על ה- SE הזה שהוא גם עדיין בגרסת בטא. אני רואה חפיפה רבה בין חקר החלל, הנדסה ופיזיקה למשל. באופן אישי הייתי מעדיף להשאיר אותו כאן במקום שהוא גם בנושא.
טרילריון - עשיתי את אותו הדבר בשאלה שלי.
https://what-if.xkcd.com/58/ הכניסה למסלול אינה קשה מכיוון שהיא גבוהה. זה קשה כי אתה צריך ללכת הצידה מהר מאוד. טיסה ראשונה עם כנפיים לא ממש עוזרת לך.
@endolith אני מניח שגם כך. זה לא יעזור הרבה. אבל אז גם אם זה עוזר רק מעט, לפעמים אנשים יעשו את זה. ניתן היה לראות במטוסים שלב מנוע ראשון יעיל וניתן לשימוש חוזר. זה נוגע לשאלת הצד שהצגתי.
השאלה היא לא "האם ניתן לעשות זאת?" אלא "בכמה?". זה אפשרי אך לא משתלם מבחינה כלכלית - ישנן שיטות זולות יותר. על ידי בניית רקטות מבוימות אתה חוסך את כמות המשקל המת שאתה צריך להניע בשלב מאוחר יותר של המסע. מה שאתה מציע הוא למעשה השקה דו-שלבית; מוביל אווירי ומטוס חלל. לא משנה איך תהפכו אותו ותסדרו, שני שלבים נמוכים מאוד לרכבי מסלול, וכתוצאה מכך העלות עולה.
@SF אם לא ניתן לעשות זאת השאלה "לכמה" אינה הגיונית במיוחד. ניסיתי להתמודד עם השאלה הצדדית. מה שיש למטוסים שאין לרקטות זה התרוממות רוח. זה ושימוש חוזר צריכים לסמוך על משהו. אז האם זו באמת לא האופציה הזולה ביותר? האם אתה בטוח? אני די מסכים עם התוצאה שלך אבל אני חושב שניתן להסביר את הצעדים שביניהם ואז להכניס אותם לתשובה.
@SF. שני שלבים למעשה נראים כאילו מדובר בתקן לרכבי מסלול.
@cpast: שני שלבים להשקה, בתוספת שלישי: רכב מטען או כניסה חוזרת. במקרה של מטוס החלל השלב השני הוא רכב הכניסה מחדש.
שְׁלוֹשָׁה תשובות:
HDE 226868
2015-02-07 06:15:12 UTC
view on stackexchange narkive permalink

תאמינו או לא, היינו יכולים לעשות את זה לפני 50 שנה, אם המימון הממשלתי לא היה מושך מפרויקט ברגע האחרון. באופן מתסכל, לאחר שנים של עבודה של מדענים, מהנדסים וטכנאים, פרויקט בואינג X-20 Dyna-Soar בוטל ממש לאחר שהחלה העבודה על החללית בפועל.

הנה התרשמות של אמן מה- X-20:

X-20

ה- X-20 היה תוצאה של תוכנית צבאית שמטרתה לפתח מטוס חלל מסלולי לשמש להפצצה ולסיור. הוא תוכנן לשגר למסלול ולהישאר שם לזמן קצר. למרות גודלו הקטן - באורך של 35 מטר בלבד - הוא יגיע למהירות מסלולית לאחר השיגור, בתיאוריה. היא הצליחה להגיע למאך 18 במהלך בדיקות גלישה בפועל.

ה- X-20 לא תוכנן להיות שיגור אווירי, אלא שיוגר על גבי טיל טיטאן III. עם זאת , עיצוב דומה - מבשר ל- X-20, אם תרצו - בשם Bomi תוכנן להיות מושק כך. הנה $ ^ 1 $ היא השוואה בין בומי (משמאל), ה- X-20 (השניים בקצה הימני ביותר), ורובו, פרויקט קשור:

Bomi
(מקור: astronautix.com)

היו שתי גרסאות של Bomi: אחת תת-מסלולית, עם מהירות מקסימאלית של מאך 4, ומסלולית, עם מהירות מקסימאלית של - ובכן, מהירות מסלולית. האחרון הוא ככל הנראה זה שאתה מעוניין בו. אורכו היה 23 מטר והיה לו מטען של 34,000 ק"ג - מספיק לשתי פצצות גרעיניות.

שתי הגרסאות היו משוגרות בחלק מהן סוג של משגר - הרכב הגדול יותר אליו מוצג בומי. ניתן לשנות עיצוב זה גם תלוי אם הטיסה הייתה להיות מסלולית או תת מסלולית.

בסופו של דבר בומי בוטל עם מיצוי המימון ל Dyna-Soar (ה- X-20), שסבל אז מאותו גורל. אבל דינה-סואר עבר את שלב בדיקת הגלישה (הושמט מ- B-52), וכמעט למעשה הגיע לחלל. אילו הועברו המשאבים לבומי, זה יכול היה להצליח.

האם בומי היה יכול לברוח ממסלול כדור הארץ? עם קצת עבודה, זה יכול היה להיות. חשבו כיצד משפחות טילים שונות התפתחו. סוגים שונים יכולים למלא משימות שונות. שבתאי החמישי היה התוצאה הסופית של רקטות קטנות יותר, תת-מסלוליות ומסלוליות. אם בומי היה מפותח בהיקף תוכנית אפולו, אני חושב שסביר מאוד שהוא היה יכול לצאת ממסלול כדור הארץ.


$ ^ 1 $ נראה כי תמונה זו נחלת הכלל, כאמור כאן.

תודה על התשובה הנחמדה הזו. האם אנו יודעים סיבה כלשהי לכך שהפרויקטים הללו הופסקו? האם האם יש בעיות הנדסיות פוליטיות או עיקריות?
@Trilarion [זה] (https://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_X-20_Dyna-Soar#Problems) מסביר זאת היטב. רבים חשבו כי לתוכנית אין מטרה מוגדרת.
Russell McMahon
2015-02-11 19:48:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

עכשיו, אני תוהה אם חללית ששוגרה אווירית ב -20 השנים הבאות באמת יכולה להטיס אותנו לירח - כלומר, האם הם יכולים להגיע למהירויות בריחה?

  • שיגור אווירי ל- LEO: בוצע כעת

  • שיגור אווירי למסלול הירח - כן, אך ב- 20% -25% ממטען ה- LEO

  • שיגור אוויר לירח וחזרה ל- LEO: כן, אך עם כ -5% ממטען ה- LEO

  • קל להתעלם ממציאות מעשית כאשר מתלהבים ממערכות מבוססות נייר.
    אסור להתעלם מהיחס בין מסת הרכב המושק באוויר לבין המסה המכונפת חזרה לבסיס. גודל ספינת האם מגדיר גבול עליון למסה של כלי הרכב החלליים. עליות מעל המוני מטען של מעליות כבדות יכולות להיות אפשריות למשל עם בלונים, אך הדבר דורש כמה מערכות מיוחדות במיוחד. כשמסתכלים על הדמויות שלמטה נראה שחזרת ירח מאוישת לפני האדמה היא ציפייה גבוהה באופן לא מציאותי למערכות שהושקו באוויר. מלאכה לא מאוישת קטנה למסלול הירח הינה מעשית.


התשובה היא "כן, ברור" מכיוון שאתה יכול לבנות משגר ירח קטן יותר מאשר נהוג להשתמש. ואפשר לבנות אמצעי להפעלתו באוויר. למשל שיגור בלונים יכול לאפשר מסה משמעותית מאוד והוצע במחקרים שונים.

ההוכחה הקיומית לתפיסה הכללית מגיעה בצורה של כמה כלי רכב מסלוליים משוגרים באוויר "Orbital Sciences". אלה משמשים רק להכנסת LEO (מסלול כדור הארץ נמוך) אך מהירות בריחה תהיה ברת השגה בהינתן מטען קטן במידה מתאימה.

החומר שלהלן נותן דוגמאות למה שניתן להשיג באופן ריאלי בהתבסס על LEO קטן שהושק באוויר משגרי לווין וההצעה כמו שהיה אז מ- 2013 אורביטל מדעים, ברט רותן ופול אלן.

זה מוכיח כי שיגור אווירי לא מבוטל יכול להעביר כ- 800 עד 1000 פאונד למסלול הירח - יותר באמצעות דלקים ומערכות מובילות לחלוטין או אפילו 'ספינות אמהות' גדולות יותר. זה קטן בצורה לא נוחה ממה שאתה רוצה באופן מציאותי להעביר אדם אחד למסלול הירח ובחזרה. אמנם קנה המידה אפשרי, אך הוא לא נראה אטרקטיבי לטיסות חזור ירח מרובות אנשים.

יתרונות השיגור האווירי אינם רווח גובה ככזה אלא העלייה המשמעותית בהתנגדות האוויר מופחתת והעלייה הקטנה במהירות. בעוד שמהירות השיגור האווירית היא חלק זעיר ממהירות מסלולית, משגר קרקעי חייב להוסיף את המהירות הראשונית תוך תמיכה במסה המקסימלית כנגד כוח המשיכה. זה קל לעומת אובדן התנגדות אוויר, אך שימושי. עמידות האוויר חצויה בערך כל 15,000 רגל, והגרירה קשורה באופן הפוך לצפיפות האוויר. הגרירה היא פרופורציונאלית למהירות בריבוע - כך שאם תוכלו להתחיל לאט ומעלה זה יכול לעזור משמעותית. בסופו של דבר תזדקק למהירות "אופקית" משמעותית מאוד למסלול, אך בתחילה, קמה מהאטמוספרה התחתונה והסמיכה עם הפסדים מינימליים היא חשובה ביותר. ל"אוניית האם "מנועי כנפיים ונושמות אוויר ודלק זול בהשוואה לעלות הנשיאה לגובה רב ומהירויות גבוהות, ולכן מערכת שיגור אוויר מעניקה רווחים בעלויות ויכולות רכב השיגור במצבים בהם ניתן לבנות באופן סביר "ספינת אמהות" גדולה מספיק. עבור מטעני מטען קטנים של LEO זה קיימא (ומשומש) באופן בולט, עבור מטענים ממש גדולים בכיוון אחד ניתן לעשות זאת, אך להחזרת הירח הלוגיסטיקה של ספינת האם מתחילה להיות אדירה.


הנה סרטון ההשקה האווירית של "מערכות פגסוס" XL Systems . פעולה זו מציגה את הפעולה ממש לפני ההשקה ועד לשחיקה שלב 1.

"השלב הבא" של יכולת זו החל ממאי 2013 מוצג כאן.
סטרטולאנץ 'ואורביטל - גובה ההשקה האווירית . איך זה השתנה על ידי אירועים עדכניים יותר אני לא יודע אבל זה הראה מה מתוכנן בשנת 2013 ולכן זה רלוונטי לשאלתך.

משגר זה הציע מטען של 13,500 לירות ל- LEO.
זהו לא עצום - אך בהחלט מספק מטען שימושי

enter image description here

הקצאת דרישות ה- V ויחס הדלק היחסי למשימות מורכבת מכדי לאפשר תשובות פשטניות המכסות יותר מדוגמאות ספציפיות, אך כאינדיקציה ממש גסה, ה- "delta-V" מ- LEO למסלול הירח הוא בערך 40% מזה שנדרש כדי להגיע ל- LEO מעל פני האדמה. הטבלה שלהלן מספקת שינויי מהירות הדרושים למעברי מסלול שונים ומיקומים. זה נותן 3.9 קמ"ש כדלתא V הדרושה מ- LEO למסלול הירח.

הנוסחה הבסיסית לחישוב שינוי מהירות לטיל היא משוואת הרקטות (לא מפתיעה): -

  • V = Isp xgx ln (M2 / M1)

    Isp = דחף ספציפי של דלק
    M2 = מסת התחלה
    M1 = סוף massg = קבוע כוח המשיכה (~ ~ = 10 m / s / s)

התקשר M2 / M1 = יחס המסה = MR.

באמצעות Isp צנוע לפי סטנדרטים מודרניים של 300, כדי לייצר דלתא V של נניח 4000 מ / ש דורש MR של כ 3.7 או מסה סופית ~ = 1 / 3.7 = 27% מהסך הכל.
אז בערך 25% מה 13,500 פאונד לעיל יכול להיות נמסר למסלול הירח
= ~ 3375 פאונד = 1.5 טון
~ = 1.5 טון :-)

זה בתורו יכול להחזיר כ- 840 פאונד ל- LEO וכמות פחותה יותר בחזרה ל האדמה. הטבלה שלהלן היא מתוך דף אוניברסיטאי זה בדלפט

enter image description here


קשור:

תמונות משגר של פגסוס עם קישורים

OSC Pegasus - 44 השקות מאז 1990.

Pegasus XL - 443 ק"ג ל- LEO אז כ- 100 ק"ג למסלול הירח.

נסיון NASA Pegasus 2014

דף פייסבוק OSC


תרשים דלתא V של המערכת הפנימית

מתוך ** ויקיפדיה - Delta-v budget
ומשמש גם ב פוסט חילופי מחסניות זה

enter image description here

"הגרר פוחת עם הריבוע ההפוך של שינוי בצפיפות האוויר." צריך לשנות ל"יחס הפוך לשינוי בצפיפות האוויר. " לחץ דינמי * מקדם גרר = גרור ו- q יש רק צפיפות כמונח ליניארי.
@user823629 תודה. איך זה נכנס לשם? :-) אני יכול לראות למה התכוונתי וזה לא מה שכתבתי. כן. הפוך ליניארי כמו בקלאסי F = 0.5 x Rho x Cd x A x V ^ 2.
user823629
2015-04-16 20:53:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

התחל את המודל הנפשי שלך על ידי הנחת נתיב טיסה. טבלת מהירות / גובה לעומת זמן עבור מעבורת החלל:

space shuttle flight profile
(מקור: aerospaceweb.org)

מנועי הסילון טובים יותר $ Isp $ מאשר רקטות. בואו נניח מנועי סילון על הרקטה שלנו. הפלקון 9 מוציא כ -1.1 מיליון ק"ג דחף, כך שנוכל להשתמש ב- GE-90 כדי להוסיף 120,000 ק"ג, ולהכפיל את התאוצה בגובה פני הים. אילון מאסק אמר כי הפלקון 9 עולה כ- 54 מיליון דולר לכל רקטה. עלות ה- GE-90 היא כ -24 מיליון דולר. אופס. הוספנו 50% עלות למערכת (לא כולל שילוב או פיתוח מערכת התאוששות) והדחף יורד במהירות עם הגובה.

בואו נשתמש ב- F-414 במקום זאת. זה עולה כ- $ 4 מיליון דולר ויכול להיות שימושי עד מאך 2 בערך עם כניסה שתוכננה כראוי, והמהירות באמת עוזרת לנו לפתח לחץ של איל, שמאכיל את סגנון ה- Ramjet לאחר הצריבה. אנו מקבלים דחף של 26,000 ק"ג עבור כוויה של 4 מיליון דולר בלבד ויותר, טוב יותר אך לא כוכבי. הרקטה שאנו מרימים עדיין צריכה להיות ענקית, ולכן אנחנו עדיין לא זה טוב.

רמג'טים טהורים מציגים את הדילמה של משקל כבד בהרמה, ומוסיפים רקטה נוספת. בשלב האיטי ביותר, אז אולי גם אנחנו לא נוכל לנצח שם. רמג'טים עוקפים רק רקטות ב $ Isp $ בסביבות מאך 0.5 ולא יכולים לייצר דחף מלא לזמן מה מכיוון שהם ינשבו אוויר מהחזית אם יוסיפו יותר מדי דלק עד שלחץ האיליות מספיק גבוה.

אז .. מנועי אוויר נושמים לא מייצרים טון דחף לדולר ויש להם טווח מהירות נמוך. כנפיים מתעלות בקצב של בערך 16: 1, כך שנוכל להשתמש במנועים שלנו כדי להאיץ לאט ולעוף עד 40,000 רגל ומאך 1. זה לא יחסוך טון של משקל רקטות מכיוון שהוא נמצא בערך 1/25 מהמהירות הסופית שלו. ודקה אחת של גרירה. נניח שאנחנו מורידים משקל 20% וצריכים לשאת רק 900,000 ק"ג.

747-8 נושא מטען של 308,000 ק"ג ומחירו כ- $ 350,000,000. בואו נגיד שהעלויות והיקף המטען באופן ליניארי, אנחנו לפחות מסתכלים על משגר של $ 700,000,000, רחוק מ- $ 54 מיליון דולר, מופחת על מספר השיגורים, אבל כך גם עלות הפיתוח, שעבור 747-8 הייתה 3.7 מיליארד דולר. שוב, בקנה מידה ליניארי, אנו זקוקים לכ- $ 8 מיליארד דולר כדי להתפשט על הרבה שיגורים. SpaceX גייסה לאחרונה מיליארד דולר מגוגל ופידו, לא ממש מספיק.

שוררת הדילמה של שיגור מטענים עם מטוסים נושמים אוויר. או שאתה צריך מנוע סילון דחף ומשקל זול בהרבה, המפתח דחף במהירות אפסית, או שאתה חוזר לרקטות וטכניקות התאוששות כמו ULA ו- SpaceX מתפתחות.

רבים ניסו להניח נתיבי טיסה ארוכים יותר של נשימה באוויר במהירות הולכת וגוברת, אבל אתה מתחיל להשתמש ב scramjets, צידניות מקדימות, ניהול חום, ונראה שזה אף פעם לא הולך וקטן, מבצע מעל מעטפה גדולה מספיק, או מגיע למהירות מספיק גבוהה כדי שיהיה חשוב לסיום טיל בכל מקרה.



שאלה ותשובה זו תורגמה אוטומטית מהשפה האנגלית.התוכן המקורי זמין ב- stackexchange, ואנו מודים לו על רישיון cc by-sa 3.0 עליו הוא מופץ.
Loading...