Двухступенчатый вывод на орбиту

Двухступенчатая ракета на орбиту ( TSTO ) или двухступенчатая ракета — это ракета-носитель , в которой две отдельные ступени последовательно обеспечивают движение для достижения орбитальной скорости. Он занимает промежуточное положение между трехступенчатой ракетой- носителем и гипотетической одноступенчатой ракетой- носителем (SSTO).

При трогании с места первая ступень отвечает за ускорение автомобиля. В какой-то момент вторая ступень отделяется от первой и продолжает вращаться по орбите своим ходом.

Преимущество такой системы перед одноступенчатой на орбиту состоит в том, что большая часть сухой массы корабля не выносится на орбиту. Это снижает затраты на достижение орбитальной скорости, поскольку большая часть массы конструкции и двигателя выбрасывается, а больший процент массы на орбите составляет масса полезной нагрузки. ^[1]

Преимущество перед тремя и более этапами заключается в уменьшении сложности и меньшем количестве случаев разделения , что снижает стоимость и риск отказа. ^[2]

Примеры

Исторический
Текущий
- Атлас V 401 и 501
- Электрон
- Сокол 9
- Вулкан Кентавр
В разработке

Не всегда ясно, когда машина является ТСТО, из-за использования навесных ракет -носителей при запуске. Они сбрасываются на ранних этапах полета и могут считаться, а могут и не считаться дополнительной ступенью, если основные двигатели продолжают работать. Иногда их считают половиной ступени, что приводит к выражению «полтора ступени до орбиты» (1,5STO), например, для Long March 5B. ^[3] или ракета Атлас , ^[4]^[5] это была одноядерная ступень с дополнительными ускорителями. Точно так же двухступенчатые конструкции с дополнительными ускорителями можно назвать 2,5-ступенчатыми ракетами, например, Ariane 5 или большинство вариантов Atlas V (все, кроме 401 и 501).

Многоразовые пусковые системы

Применительно к многоразовой системе запуска этот подход часто предлагается как альтернатива одноступенчатому выводу на орбиту (или SSTO ). Его сторонники утверждают, что, поскольку каждая ступень может иметь меньшую относительную массу , чем система запуска SSTO, такая система может быть построена дальше от пределов ее конструкционных материалов. Утверждается, что двухступенчатая конструкция должна требовать меньшего обслуживания, меньшего количества испытаний, иметь меньше отказов и иметь более длительный срок службы. Кроме того, двухступенчатый подход позволяет оптимизировать нижнюю ступень для работы в нижних слоях атмосферы Земли, где давление и сопротивление высоки, а верхнюю ступень можно оптимизировать для работы в условиях, близких к вакууму, на более поздней части цикла. запуск. Это позволяет увеличить массовую долю полезной нагрузки двухступенчатой машины по сравнению с одноступенчатой или полутораступенчатой машиной, которой приходится работать в обеих средах на одной и той же аппаратуре. ^{[ нужна ссылка ]}

Критики утверждают ^{[ ВОЗ? ]} что возросшая сложность проектирования двух отдельных ступеней, которые должны взаимодействовать, логистика, связанная с возвращением первой ступени на стартовую площадку, а также трудности проведения дополнительных испытаний на второй ступени перевесят эти преимущества. В случае с нижними ступенями, похожими на самолеты, они также спорят о том, насколько сложны и дороги высокоскоростные самолеты (такие как SR-71 ) в разработке и эксплуатации, и ставят под сомнение заявления о характеристиках. Многие конструкции «мини-челноков», в которых в качестве первых ступеней используются транспортные самолеты, также сталкиваются с теми же проблемами со льдом / пеной, что и космические челноки, поскольку им также требуется иметь большой внешний бак для топлива. ^{[ нужна ссылка ]}

По состоянию на 2023 год SpaceX и НАСА являются единственными поставщиками запусков, которые добились повторного использования первой ступени орбитального корабля с двухступенчатыми ракетами-носителями Falcon 9 и 2,5-ступенчатыми Falcon Heavy НАСА от SpaceX, а также твердотопливными ракетными ускорителями космического корабля "Шаттл" . Rocket Lab восстановила несколько первых ступеней своей ракеты Electron , но больше не запускала ее.

Вертолетная первая ступень

Учитывая, что операции, подобные самолетам, не приводят к внешнему виду, подобному самолету, некоторые концепции TSTO многоразового использования имеют первые ступени, которые работают как вертикального взлета или падения самолеты . DC -X доказал работоспособность варианта вертикального взлета и посадки. Другие конструкции, такие как концепция DH-1 , идут еще дальше и используют подход «всплывающее/всплывающее», который доставляет орбитальную ступень в точку примерно в 60 км над поверхностью Земли, прежде чем опуститься на стартовую площадку. снова. В случае с DH-1 верхняя ступень фактически представляет собой «почти SSTO» с более реалистичной массовой долей и оптимизированной с точки зрения надежности.

Самолетоподобная первая ступень

Некоторые конструкции TSTO включают первую ступень, подобную самолету , и вторую ступень, подобную ракете . Элементами самолета могут быть крылья, воздушно-реактивные двигатели или и то, и другое. Этот подход привлекателен тем, что превращает атмосферу Земли из препятствия в преимущество. При достижении определенной скорости и высоты крылья и ГПВРД перестают быть эффективными, и ракета разворачивается для завершения полета на орбиту.

Saenger (космический корабль) был одним из первых концептов такого типа.

Успешный частный суборбитальный космический корабль SpaceShipOne , разработанный для Ansari X Prize, хотя и не является орбитальным аппаратом , продемонстрировал, что двухступенчатая система с крылатым самолетом в качестве «нижней половины» может достичь края космоса . Команда SpaceShipOne создала и запустила коммерческую суборбитальную систему запуска SpaceShipTwo на основе этой технологии.

Ракета «Пегас» при запуске с самолета не является двухступенчатой системой вывода на орбиту, поскольку сам компонент ракеты состоит из нескольких ступеней.

См. также

Одноступенчатый на орбиту

Ссылки

^ Бланко, Филип (2022). «Изучаем ракеты поэтапно» . Физическое образование . 57 (4): 045035. Бибкод : 2022PhyEd..57d5035B . дои : 10.1088/1361-6552/ac6928 . S2CID 249535749 . Проверено 17 июня 2022 г.
^ «Сокол-1 — надежность разделения ступеней» . СпейсИкс . Архивировано из оригинала 30 апреля 2013 года . Проверено 8 января 2011 г.
^ Джонс, Эндрю (12 апреля 2022 г.). «Семейство китайских ракет «Великий поход»: история и фотографии» . Space.com .
^ «Варианты «полуторной» системы привода (МА) ракеты «Атлас» . b14643.de . Проверено 4 сентября 2022 г.
^ Д. Маккатчеон, Кимбл. «Эволюция пилотируемых ракетных двигателей США. Часть 5: Ракета Атлас» . сайт enginehistory.org . Проверено 4 сентября 2022 г.

[1] Бланко, Филип (2022). «Изучаем ракеты поэтапно» . Физическое образование . 57 (4): 045035. Бибкод : 2022PhyEd..57d5035B . дои : 10.1088/1361-6552/ac6928 . S2CID 249535749 . Проверено 17 июня 2022 г.

[2] «Сокол-1 — надежность разделения ступеней» . СпейсИкс . Архивировано из оригинала 30 апреля 2013 года . Проверено 8 января 2011 г.

[3] Джонс, Эндрю (12 апреля 2022 г.). «Семейство китайских ракет «Великий поход»: история и фотографии» . Space.com .

[Brugge-4] «Варианты «полуторной» системы привода (МА) ракеты «Атлас» . b14643.de . Проверено 4 сентября 2022 г.

[McCutcheon-5] Д. Маккатчеон, Кимбл. «Эволюция пилотируемых ракетных двигателей США. Часть 5: Ракета Атлас» . сайт enginehistory.org . Проверено 4 сентября 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]