Запуск ракетных саней
Запуск ракетных саней , также известный как наземная система помощи при запуске , система помощи при запуске с помощью катапульты и запуск с небесной рампы , представляет собой предлагаемый метод запуска космических аппаратов. В этой концепции ракета-носитель поддерживается направленной на восток рельсой или магнитной подвеской, которая поднимается по склону горы, в то время как внешняя сила используется для ускорения ракеты-носителя до заданной скорости. Использование внешней силы для начального ускорения уменьшает количество топлива, которое ракета-носитель должна нести для выхода на орбиту. Это позволяет ракете-носителю нести большую полезную нагрузку и снижает стоимость выхода на орбиту. Когда скорость, сообщаемая ракете-носителю наземным ускорителем, становится достаточно большой, становится возможным одноступенчатый полет на орбиту с многоразовой ракетой-носителем.
Для гиперзвуковых исследований в целом на базе ВВС Холломан с 2011 года испытывались небольшие ракетные салазки, движущиеся со скоростью до 6453 миль в час (2885 м/с; 8,5 Маха). [ 1 ]
По сути, небесная рампа сделает самую дорогую первую ступень ракеты полностью многоразовой, поскольку салазки возвращаются в исходное положение для дозаправки и могут быть повторно использованы примерно через несколько часов после использования. Стоимость нынешних ракет-носителей составляет тысячи долларов за килограмм сухого веса ; Запуск салазок будет направлен на снижение требований к производительности и амортизацию затрат на оборудование при частых и повторяющихся запусках. В конструкциях горных саней с наклонными рельсами часто используются реактивные двигатели или ракеты для ускорения установленного на них космического корабля. Электромагнитные методы (такие как Bantam, Maglifter и StarTram ) — это еще один метод, исследованный для ускорения ракеты перед запуском, потенциально масштабируемый для достижения большей массы и скорости ракеты, чем запуск с воздуха . [ 2 ] [ 3 ]
Обзор проблемы
[ редактировать ]Ракеты, несущие с собой собственное топливо, используют подавляющее большинство этого топлива в начале своего пути для ускорения большей части того же самого топлива, как это отражено в уравнении ракеты . Например, космический челнок использовал более трети своего топлива только для того, чтобы достичь скорости 1000 миль в час (1600 км/ч). [ 4 ] Если бы эта энергия обеспечивалась без (пока или вообще) использования топлива, которое несет ракета, ее потребность в топливе была бы значительно уменьшена, а ее полезная нагрузка могла бы составлять большую часть ее стартовой массы, что увеличивало бы ее эффективность.
Пример
[ редактировать ]Из-за таких факторов, как экспоненциальный характер уравнения ракеты и более высокий тяговый КПД , чем при стационарном взлете ракеты, исследование НАСА Maglifter показало, что запуск ракеты ELV со скоростью 270 м / с (600 миль в час) с горы высотой 3000 метров Peak может увеличить полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту на 80% по сравнению с той же ракетой с обычной стартовой площадки . [ 5 ] Горы такой высоты доступны на материковой части США для упрощения логистики или ближе к экватору, чтобы немного больше выиграть от вращения Земли . Среди других возможностей, с помощью такой помощи при запуске более крупный одноступенчатый вывод на орбиту (SSTO) может быть уменьшен на 35% по стартовой массе, уменьшив количество двигателей до 4 вместо 6 в одном рассматриваемом случае. [ 5 ]
При ожидаемом КПД, близком к 90%, электроэнергия, потребляемая при запуске 500-тонной ракеты, составит около 30 гигаджоулей (8300 кВтч) (каждый киловатт-час стоит несколько центов при текущей стоимости электроэнергии в Соединенных Штатах). за исключением любых дополнительных потерь при хранении энергии. Это система с низкими предельными издержками, в которых преобладают первоначальные капитальные затраты. [ 3 ] Несмотря на то, что это фиксированная площадка, по оценкам, она обеспечит существенное увеличение полезной нагрузки для значительной части различных азимутов запуска, необходимых для различных спутников, с маневрированием ракеты на ранней стадии подъема после запуска (альтернатива добавлению электрической двигательной установки для более поздних запусков). изменение наклонения орбиты ). Затраты на направляющие на магнитной подвеске оценивались в 10–20 миллионов долларов за милю в исследовании 1994 года, в котором предполагалось, что ежегодные затраты на техническое обслуживание магнитной подвески составят порядка 1% капитальных затрат. [ 5 ]
Преимущества запусков на большой высоте
[ редактировать ]Запуск ракетных саней помогает транспортному средству набрать высоту, и предложения обычно включают в себя трассу, поднимающуюся по склону горы. Преимущества любой системы запуска, стартующей с большой высоты, включают снижение гравитационного сопротивления (стоимости подъема топлива в гравитационном колодце). Более разреженный воздух уменьшит сопротивление воздуха и обеспечит более эффективную геометрию двигателя. Сопла ракет имеют разную форму (степень расширения), чтобы максимизировать тягу при разном давлении воздуха. НАСА (Хотя аэроспайковый двигатель для Lockheed Martin X-33 был разработан с возможностью изменения геометрии, чтобы оставаться эффективным при различных давлениях, аэроспайковый двигатель увеличил вес и сложность; X-33 финансирование было отменено в 2001 году; и другие преимущества от запуска помощь останется, даже если аэроспайковые двигатели дойдут до летных испытаний). [ 6 ] [ 7 ]
Например, на высоте 2500 метров воздух на 39% разреженнее. Более эффективная геометрия ракетного шлейфа и уменьшенное трение воздуха позволяют двигателю быть на 5% более эффективным в расчете на количество сожженного топлива. [ 8 ]
Еще одним преимуществом запусков на большую высоту является то, что они устраняют необходимость дросселирования двигателя при максимального предела Q. достижении Ракеты, запущенные в плотной атмосфере, могут двигаться так быстро, что сопротивление воздуха может привести к повреждению конструкции. [ 9 ] Двигатели замедляются при достижении максимального Q, пока ракета не поднимется достаточно высоко, чтобы они могли возобновить работу на полную мощность. Atlas V 551 является примером этого. Максимального Q он достигает на высоте 30 000 футов. Его двигатель снова дросселируется до 60% тяги на 30 секунд. [ 10 ] Это уменьшенное ускорение увеличивает сопротивление силы тяжести, которое должна преодолеть ракета. Кроме того, двигатели космических кораблей, рассчитанные на максимальную добротность, более сложны, поскольку во время запуска их необходимо дросселировать.
Для запуска с большой высоты не требуется дросселировать на максимальном Q, поскольку он начинается над самой толстой частью земной атмосферы.
Дебора А. Грант и Джеймс Л. Рэнд, «Система запуска с помощью воздушного шара - воздушный шар с тяжелой подъемной силой», [ 11 ] писал: "Некоторое время назад было установлено, что ракета наземного базирования, способная достичь 20 км, сможет достичь высоты почти 100 км, если ее запустить с 20 км". Они предлагают поднимать небольшие ракеты над большей частью атмосферы на воздушном шаре, чтобы избежать проблем, обсуждавшихся выше.
Совместимость с многоразовыми ракетами-носителями.
[ редактировать ]Ракетные сани на полигоне Чайна-Лейк достигли скорости 4 Маха, перевозя груз массой 60 000 кг. [ нужна ссылка ] Гусеничная гусеница, обеспечивающая скорость запуска 2 Маха или выше, может сократить расход топлива на орбиту на 40% или более, одновременно помогая компенсировать потерю веса при стремлении создать полностью многоразовую ракету-носитель . Расположенная под углом 55° к вертикали трасса на высокой горе может позволить одной ступени вывести на орбиту многоразовый корабль без каких-либо новых технологий. [ 12 ]
Запуск ракетных саней в художественной литературе
[ редактировать ]- Роберт А. Хайнлайн использовал лунную ракету-носитель на магнитной подвеске в своем романе 1966 года «Луна — суровая хозяйка» . Один на Земле был построен к концу романа.
- Дин Инг использовал аналогичную систему в своем романе 1988 года «Большие лифтеры» .
- Fireball XL5 запускали на санях с уровня моря.
- В Серебряной Башне есть ракетные салазки, которые использовались для взлета гиперзвукового космического самолета « Америка» .
- В киноверсии книги « Когда миры столкнулись» 1951 года для запуска Ковчега использовались ракетные салазки, а в книге — нет.
- Borderlands: Pre-Sequel в начальной кат-сцене содержит ракетные сани.
- «Разрешение на смерть » (графический роман) в оригинальном рассказе Майка Грелла о Джеймсе Бонде ракета на санях играет решающий элемент сюжета.
- На «Интерстелле 5555» группа Crescendolls покидает Землю, используя ракетные сани для помощи при взлете.
- Ace Combat 5: The Unsung War — это видеоигра, в которой есть миссия, требующая защиты места размещения ракетных саней от воздушного налета во время запуска.
- Мобильный костюм Гандам: Контратака Чара показывает, что ракетные салазки использовались для помощи при взлете гражданского космического корабля.
- В фильме 2015 года «Земля будущего» изображены ракетные сани с вертикальным запуском, используемые в гражданском «космопорте», когда главный герой исследует титульный город.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ ВВС США: «Тест устанавливает мировой рекорд скорости на суше» . Архивировано из оригинала 4 июня 2012 года . Проверено 24 апреля 2011 г.
- ^ «Трансформационные технологии для ускорения доступа и развития космоса» . SPESIF, доктор Джон Разер, бывший помощник директора по развитию программ космических технологий НАСА . Архивировано из оригинала 23 марта 2012 года . Проверено 28 апреля 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Исследование компромиссных решений Maglifter и демонстрация системы подшкалы . НАСА. 2005. CiteSeerX 10.1.1.110.9317 .
- ^ НАСА : «Основы космических кораблей» . Архивировано из оригинала 28 апреля 2001 года . Проверено 28 апреля 2011 г.
- ^ Jump up to: а б с «Маглифтер: передовая концепция использования электромагнитной тяги для снижения стоимости космических запусков» . НАСА . Проверено 24 мая 2011 г.
- ^ «РС-2200» . Архивировано из оригинала 17 марта 2011 года . Проверено 28 апреля 2011 г.
- ^ «Сопло Аэроспайк» . Проверено 28 апреля 2011 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Компенсация высоты» . Проверено 28 апреля 2011 г.
- ^ «Динамическое давление» . Архивировано из оригинала 14 декабря 2005 года . Проверено 28 апреля 2011 г.
- ^ «Руководство по планированию миссий системы запуска Atlas» (PDF) . Проверено 28 апреля 2011 г.
- ^ Грант, Дебора; Рэнд, Джеймс (1999). «Система запуска с помощью воздушного шара - воздушный шар с тяжелым подъемом» . Система запуска с помощью воздушного шара . Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.1999-3872 . Проверено 17 сентября 2020 г.
- ^ «Технология Sky Ramp» . Проверено 28 апреля 2011 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Веб-сайт, посвященный «Skyramps»: http://www.g2mil.com/skyramp.htm .
- «Подход к достижению «ускорения первой ступени» многоразовой космической транспортной системы с помощью легкой газовой пушки», 1997 г. М. Фрэнк Роуз, Р.М. Дженкинс, М.Р. Браун, Институт космической энергетики, Обернский университет, Алабама, 36849
- Ссылка на предложение Lockheed по многоразовой ракете-носителю на санях. http://www.astronautix.com/lvs/recstics.htm
- Европейский «Феникс»: испытательный корабль готовит площадку для многоразовой ракеты http://www.space.com/missionlaunches/europe_phoenix_020621.html
- База ВВС Холломан: http://www.holloman.af.mil/photos/index.asp?galleryID=2718. Архивировано 12 марта 2009 г. на Wayback Machine.
- Предложение НАСА по закрытой пусковой трубе для пневматического разгона ракет: https://ntrs.nasa.gov/citations/20010027422
- Описывает эффективность ракеты при различных давлениях воздуха и двигатель аэроспайка: http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/compensation.shtml.
