เครื่องบินอวกาศที่ปล่อยโดยเครื่องบินสามารถเข้าถึงความเร็วหนีภัยได้หรือไม่?

จรวดเช่นAriane 5มีน้ำหนักหลายร้อยตัน แต่ด้วยน้ำหนักประมาณ 85% ของเชื้อเพลิงนั้นส่วนของน้ำหนักบรรทุกจะอยู่ที่ประมาณ 3% (~ 10-20 ตัน)

Virgin Galactic กำลังสร้างเครื่องบินอวกาศ suborbitalส่วนใหญ่เพื่อการท่องเที่ยว พวกเขาบินที่ประมาณมัค 4 ช้าเกินไปที่จะหลบหนีจากโลก

ตอนนี้ฉันสงสัยว่ายานอวกาศที่เปิดตัวทางอากาศในอีก 20 ปีข้างหน้าตามความเป็นจริงสามารถบินเราไปยังดวงจันทร์ได้หรือไม่นั่นคือพวกเขาสามารถเข้าถึงความเร็วการหลบหนีได้หรือไม่?

ตามคำถามข้างเคียงในกรณีที่พวกเขาสามารถ: พวกเขาจะมีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงมากกว่าหรือน้อยกว่าจรวดมาตรฐานเช่นSaturn Vหรือไม่? น้ำหนักบรรทุกเท่าไรที่จะขนส่งได้จริง?

เชื่อหรือไม่ว่าเราสามารถทำได้เมื่อ 50 ปีที่แล้วถ้าเงินทุนของรัฐบาลไม่ได้ถูกดึงออกจากโครงการในนาทีสุดท้าย หลังจากทำงานเป็นเวลาหลายปีโดยนักวิทยาศาสตร์วิศวกรและช่างเทคนิคโครงการBoeing X-20 Dyna-Soarถูกยกเลิกหลังจากเริ่มงานกับยานอวกาศจริง

นี่คือความประทับใจของศิลปิน X-20:

X-20 เป็นผลมาจากโปรแกรมทางทหารที่มุ่งพัฒนาเครื่องบินอวกาศเพื่อใช้ในการวางระเบิดและลาดตระเวน มันถูกออกแบบมาเพื่อเปิดตัวสู่วงโคจรและอยู่ที่นั่นชั่วครู่ แม้จะมีขนาดที่เล็ก - ยาวเพียง 35 ฟุตเท่านั้น แต่มันจะถึงความเร็ววงโคจรหลังจากเปิดตัวตามทฤษฎี มันสามารถไปที่ Mach 18 ระหว่างการทดสอบการฝึกร่อน

X-20 ไม่ได้ถูกออกแบบมาให้เปิดตัว แต่จะเปิดตัวบนขีปนาวุธTitan III อย่างไรก็ตามการออกแบบที่คล้ายกัน - เป็นสารตั้งต้นของ X-20 ถ้าคุณจะ - เรียกว่าBomi ถูกออกแบบมาเพื่อเปิดตัวเช่นนี้ ที่นี่$^1$ เป็นการเปรียบเทียบ Bomi (ทางซ้าย) X-20 (ทั้งสองทางขวาสุด) และ Robo โครงการที่เกี่ยวข้อง:

_{(ที่มา: astronautix.com )}

มี Bomi สองรุ่น: อันที่หนึ่ง suborbital, ด้วยความเร็วสูงสุด Mach 4, และหนึ่ง orbital หนึ่ง, ด้วยความเร็วสูงสุด - ดี, ความเร็ววงโคจร. หลังนี้น่าจะเป็นสิ่งที่คุณสนใจมันน่าจะยาว 23 ฟุตและมีน้ำหนักบรรทุก 34,000 กิโลกรัม - เพียงพอสำหรับการทิ้งระเบิดนิวเคลียร์สองครั้ง

ทั้งสองรุ่นจะได้รับการเปิดตัวในยานยนต์บางประเภท - ยานพาหนะขนาดใหญ่ที่ Bomi ถูกนำมาแสดง การออกแบบนี้อาจมีการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับว่าเที่ยวบินจะเป็นวงโคจรหรือ sub-orbital

ในที่สุด Bomi ก็ถูกยกเลิกเนื่องจากเงินทุนถูกดึงให้กับDyna-Soar (X-20) ซึ่งประสบชะตากรรมเดียวกัน แต่ Dyna-Soar ผ่านขั้นตอนการทดสอบการร่อน (ถูกดร็อปจาก B-52) และเกือบทำให้มันเข้าสู่อวกาศ หากมีการย้ายทรัพยากรไปยัง Bomi แล้วจะประสบความสำเร็จได้

Bomi สามารถหนีวงโคจรของโลกได้หรือไม่? ด้วยการทำงานเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำได้ คิดว่าครอบครัวจรวดต่าง ๆ มีวิวัฒนาการอย่างไร ประเภทที่แตกต่างกันสามารถเติมเต็มภารกิจที่แตกต่างกัน ดาวเสาร์ V เป็นผลสุดท้ายของจรวดขนาดเล็ก suborbital และ orbital ถ้า Bomi ได้รับการพัฒนาตามขอบเขตของโปรแกรม Apollo ฉันคิดว่าเป็นไปได้มากที่มันจะทำให้มันออกมาจากวงโคจรของโลก

$^1$ภาพนี้ปรากฏอยู่ในโดเมนสาธารณะตามที่ระบุไว้ที่นี่

ตอนนี้ฉันสงสัยว่ายานอวกาศที่เปิดตัวทางอากาศในอีก 20 ปีข้างหน้าตามความเป็นจริงสามารถบินเราไปยังดวงจันทร์ได้หรือไม่นั่นคือพวกเขาสามารถเข้าถึงความเร็วการหลบหนีได้หรือไม่?

• Air Launch to LEO: เสร็จแล้วตอนนี้

• อากาศปล่อยสู่วงโคจรดวงจันทร์ - ใช่ แต่อยู่ที่ 20% -25% ของอัตราการบรรทุก LEO

• อากาศเริ่มสู่ดวงจันทร์และกลับสู่ LEO: ใช่ แต่ด้วยน้ำหนักบรรทุกประมาณ 5% ของ LEO

• มันง่ายที่จะมองข้ามความเป็นจริงในทางปฏิบัติเมื่อมีความกระตือรือร้นในระบบกระดาษ
  ไม่ควรมองข้ามอัตราส่วนของมวลยานพาหนะที่ปล่อยออกสู่อากาศต่อมวลความเป็นแม่กลับสู่ฐาน ขนาดความเป็นแม่ตั้งค่าขีด จำกัด สูงสุดของมวลยานอวกาศ การเพิ่มขึ้นของน้ำหนักบรรทุกเครื่องบินที่ยกได้นั้นอาจเป็นไปได้เช่นลูกโป่ง แต่สิ่งนี้เรียกร้องให้ระบบพิเศษบางระบบ เมื่อดูจากตัวเลขด้านล่างดูเหมือนว่าดวงจันทร์ที่บรรจุกลับไปยังพื้นผิวโลกนั้นเป็นความคาดหวังที่สูงเกินจริงสำหรับระบบการปล่อยอากาศ ยานไร้คนขับขนาดเล็กจนถึงวงโคจรของดวงจันทร์นั้นมีประโยชน์

คำตอบคือ "ใช่ชัด" ในขณะที่คุณสามารถสร้างตัวปล่อยดวงจันทร์ขนาดเล็กกว่าปกติแล้วใช้และคุณสามารถสร้างวิธีการที่จะปล่อยมัน เช่นการเปิดตัวบอลลูนสามารถอนุญาตให้มีมวลมากและได้รับการเสนอในการศึกษาต่างๆ

การพิสูจน์การมีอยู่ของแนวคิดทั่วไปมาในรูปแบบของ "Orbital Sciences Corporation" ที่เปิดตัวยานอวกาศวงโคจรหลายแห่ง สิ่งเหล่านี้ใช้สำหรับการแทรก LEO (วงโคจรโลกต่ำ) แต่ความเร็วในการหลบหนีจะทำได้เมื่อได้รับน้ำหนักบรรทุกที่เหมาะสม

เนื้อหาด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างของสิ่งที่สามารถทำได้จริงบนพื้นฐานของเครื่องปล่อยดาวเทียม LEO ขนาดเล็กที่มีอยู่ในปัจจุบันและข้อเสนอปี 2556 จาก Orbital Sciences, Burt Rutan และ Paul Allen

สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าการปล่อยอากาศที่ไม่มีนัยสำคัญสามารถส่งมอบประมาณ 800 ถึง 1,000 ปอนด์สู่วงโคจรบนดวงจันทร์ - มากขึ้นด้วยเชื้อเพลิงและระบบที่ทันสมัยที่สุดหรือแม้แต่ 'มารดา' ที่ใหญ่กว่า นี่คือขนาดเล็กกว่าสิ่งที่คุณต้องการส่งคน ๆ หนึ่งไปยังวงโคจรดวงจันทร์และกลับอย่างแนบเนียน ในขณะที่การปรับขนาดเป็นไปได้มันไม่ได้ดูน่าสนใจสำหรับเที่ยวบินขากลับหลายคนตามจันทรคติ

ข้อดีของการปล่อยทางอากาศนั้นไม่ได้รับความสูงเช่นนี้ แต่ได้ประโยชน์อย่างมากในการต้านแรงลมที่ลดลงและอัตราความเร็วที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อย ในขณะที่ความเร็วการปล่อยอากาศเป็นส่วนย่อยของความเร็วการโคจรนักยิงปืนภาคพื้นดินจะต้องเพิ่มความเร็วเริ่มต้นในขณะที่รองรับมวลสูงสุดต่อแรงโน้มถ่วง นี่เป็นเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับการสูญเสียความต้านทานอากาศ แต่มีประโยชน์ ครึ่งต้านทานอากาศเกี่ยวกับทุกๆ 15,000 ฟุตและการลากนั้นสัมพันธ์กับความหนาแน่นของอากาศ และการลากเป็นสัดส่วนกับความเร็วกำลังสอง - ดังนั้นถ้าคุณเริ่มช้าลงและสูงขึ้นก็สามารถช่วยได้มาก ในที่สุดคุณจะต้องใช้ความเร็ว "แนวนอน" ที่สำคัญมากสู่วงโคจร แต่ในขั้นต้นการก้าวขึ้นจากชั้นล่างที่มีความหนาและการสูญเสียน้อยที่สุดเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง "มารดา" มีปีกและเครื่องยนต์หายใจและเชื้อเพลิงมีราคาถูกเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายในการดำเนินการในระดับสูงและความเร็วสูงดังนั้นระบบเปิดตัวอากาศให้ผลกำไรในการเปิดตัวยานพาหนะและความสามารถในสถานการณ์ที่เป็นไปได้อย่างสมเหตุสมผล "มารดา" ที่มีขนาดใหญ่พอ สำหรับ LEO payloads ขนาดเล็กมันทำงานได้อย่างเด่นชัด (และใช้) สำหรับทางเล็ก ๆ ทางเดียวที่เพย์โหลดมันจะทำได้ แต่สำหรับการกลับมาทางจันทรคติ

นี่คือวิดีโอของการเปิดตัวของอากาศ XL Systems "แรงบันดาลใจ" สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงการกระทำตั้งแต่ก่อนเปิดตัวจนถึงขั้นที่ 1 เหนื่อยหน่าย

"ระยะต่อไป" ของความสามารถนี้ ณ เดือนพฤษภาคม 2556 แสดงไว้ที่นี่
Stratolaunch และวง - ความสูงของเครื่องเปิดตัว สิ่งนี้ได้รับการแก้ไขโดยเหตุการณ์ล่าสุดที่ฉันไม่รู้ แต่สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าสิ่งที่วางแผนไว้ในปี 2013 นั้นสอดคล้องกับคำถามของคุณ

ตัวเรียกใช้งานนี้เสนอน้ำหนักบรรทุก 13,500 ปอนด์ให้กับ LEO
มันไม่ได้กว้างใหญ่ แต่ให้ผลตอบแทนที่แน่นอน

การกำหนดความต้องการของเดลต้า V และเชื้อเพลิงให้กับภารกิจนั้นซับซ้อนเกินกว่าที่จะให้คำตอบแบบง่าย ๆ ที่ครอบคลุมมากกว่าตัวอย่างที่เฉพาะเจาะจง แต่ในฐานะที่เป็นตัวบ่งชี้คร่าวๆจริงๆจริงๆ "เดลต้า -V" จาก LEO ถึงดวงจันทร์โคจรนั้นประมาณ 40% ที่ต้องใช้เพื่อเข้าถึง LEO จากพื้นผิวโลก ตารางด้านล่างแสดงการเปลี่ยนแปลงความเร็วที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนวงโคจรและตำแหน่งต่างๆ สิ่งนี้ให้ 3.9 km / s เป็นเดลต้า V ที่ต้องการจาก LEO ถึงดวงจันทร์โคจร

สูตรพื้นฐานสำหรับการคำนวณการเปลี่ยนแปลงความเร็วสำหรับจรวดคือสมการจรวด (ไม่ใช่ประหลาดใจ): -

• V = Isp xgx ln (M2 / M1)

  Isp = แรงกระตุ้นเฉพาะของน้ำมันเชื้อเพลิง
  M2 = มวลเริ่มต้น
  M1 = มวลสิ้นกรัม = ค่าคงตัวโน้มถ่วง (~~ = 10 m / s / s)

เรียก M2 / M1 = อัตราส่วนมวล = MR

การใช้ความเรียบง่ายตามมาตรฐานสมัยใหม่ Isp 300 เพื่อสร้างเดลต้า -V บอกว่า 4000 m / S ต้องใช้ MR ประมาณ 3.7 หรือมวลปลาย ~ = 1 / 3.7 = 27% ของทั้งหมด
ดังนั้นประมาณ 25% ของปอนด์ 13,500 ปอนด์ข้างต้นสามารถส่งไปยังวงโคจรของดวงจันทร์
= ~ 3375 ปอนด์ = 1.5 ตัน
~ = 1.5 ตัน :-)

ในทางกลับกันอาจส่งคืนประมาณ 840 ปอนด์สู่ LEO และจำนวนที่น้อยกว่ากลับสู่โลก ตารางด้านล่างมาจากหน้ามหาวิทยาลัยเดลฟต์

ที่เกี่ยวข้อง:

รูปภาพตัวเรียกแรงบันดาลใจพร้อมลิงก์

OSC Pegasus - 44 เปิดตัวมาตั้งแต่ปี 1990

เพกาซัส XL - 443 กก. ถึง LEO ดังนั้นประมาณ 100 กิโลกรัมถึงวงโคจรดวงจันทร์

ภารกิจของนาซาเพกาซัส 2014

หน้า OSC Facebook

ระบบภายในเดลต้า V แผนภูมิ

จาก** วิกิพีเดีย - งบประมาณ Delta-v
และใช้ในโพสต์แลกเปลี่ยนสแต็คนี้

เริ่มโมเดลจิตของคุณโดยสมมติเส้นทางบินจรวด แผนภูมิความเร็ว / ความสูงเทียบกับเวลาสำหรับกระสวยอวกาศ:

_{(ที่มา: aerospaceweb.org )}

เครื่องยนต์เจ็ทดีกว่า $Isp$กว่าจรวด ลองใส่เครื่องยนต์เจ็ทกับจรวดของเรา เหยี่ยว 9 ส่งแรงกระตุกประมาณ 1.1 ล้านปอนด์ดังนั้นเราสามารถใช้ GE-90 เพื่อเพิ่ม 120,000 ปอนด์เพิ่มความเร่งเป็นสองเท่าที่ระดับน้ำทะเล Elon Musk กล่าวว่า Falcon 9 มีราคาประมาณ$ 54m ต่อจรวดทั้งหมด GE-90 มีค่าใช้จ่ายประมาณ $ 24m อุ่ย เราเพิ่มค่าใช้จ่าย 50% ให้กับระบบ (ไม่รวมการรวมหรือการพัฒนาระบบการกู้คืน) และแรงขับลดลงอย่างรวดเร็วด้วยระดับความสูง

ลองใช้ F-414 แทน มันมีราคาประมาณ$ 4m และสามารถมีประโยชน์มากถึงประมาณ 2 Mach กับทางเข้าที่ออกแบบมาอย่างถูกต้องและความเร็วนั้นช่วยให้เราพัฒนาแรงดัน ram ได้ซึ่งช่วยดึงสไตล์ ramjet afterburner เราได้แรงขับ 26,000 ปอนด์ในราคาเพียง4 ล้านเหรียญและเผาไหม้ได้นานกว่าดีกว่า แต่ไม่ใช่ดาวเด่น จรวดเรายกกำลังยังจะต้องมีขนาดใหญ่เพื่อให้เราไม่ว่าดีออกเลย

ramjets บริสุทธิ์แสดงภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของน้ำหนักตายที่ liftoff เพิ่มจรวดมากขึ้นในขั้นตอนของการเร่งความเร็วช้าที่สุดดังนั้นบางทีเราไม่สามารถชนะที่นั่น Ramjets แซงจรวดเข้าเท่านั้น$Isp$ ที่เกี่ยวกับ Mach 0.5 และไม่สามารถสร้างแรงขับเต็มระยะเวลาหนึ่งได้เพราะพวกเขาจะเป่าลมออกด้านหน้าถ้าพวกเขาเติมเชื้อเพลิงมากเกินไปจนกว่าแรงดัน ram จะสูงพอ

ดังนั้น .. เครื่องยนต์หายใจอากาศไม่สามารถสร้างแรงขับต่อดอลลาร์ได้และมีช่วงความเร็วต่ำ ปีกยกขึ้นในอัตราประมาณ 16: 1 ดังนั้นเราสามารถใช้เครื่องยนต์ของเราเพื่อเร่งความเร็วช้าและบินไปที่ 40,000 ฟุตและมัค 1 สิ่งนี้จะไม่ประหยัดน้ำหนักจรวดได้มากเพราะมันอยู่ที่ 1/25 ของความเร็วสุดท้าย และลากหนึ่งนาที สมมติว่าเราลดน้ำหนัก 20% และต้องแบกน้ำหนักเพียง 900,000 ปอนด์

เครื่องบิน 747-8 นั้นบรรทุกสินค้าได้ 308,000 ปอนด์และมีมูลค่าประมาณ$ 350,000,000 สมมติว่าค่าใช้จ่ายและระดับสินค้าเป็นเชิงเส้นอย่างน้อยเรากำลังมองหาตัวปล่อย$ 700,000,000 ระยะทางไกลจาก$ 54m ตัดจำหน่ายตามจำนวนการเปิดตัว แต่เป็นต้นทุนการพัฒนาซึ่งสำหรับ 747-8 คือ$ 3.7bn เราต้องใช้เงินประมาณ8 พันล้านเหรียญในการเปิดตัวจำนวนมาก SpaceX เพิ่งระดมทุน1 พันล้านเหรียญจาก Google และ Fido ไม่มากพอ

มีภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของการเปิดตัว payloads ด้วยอากาศหายใจเครื่องบินอยู่ ไม่ว่าคุณจะต้องการเจ็ทเอ็นจิ้นที่มีแรงขับต่อน้ำหนักที่ถูกกว่าอย่างมากและพัฒนาแรงขับที่ความเร็วศูนย์หรือคุณกลับไปที่จรวดและเทคนิคการกู้คืนเช่น ULA และ SpaceX กำลังพัฒนา

หลายคนพยายามที่จะใช้เส้นทางการบินที่ยาวกว่าด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น แต่คุณเริ่มใช้ scramjets, pre-coolers, การจัดการความร้อนและดูเหมือนว่ามันจะไม่เล็กลงทำงานได้ในซองที่มีขนาดใหญ่พอหรือถึงความเร็วที่สูงพอ สำหรับจรวดในที่สุดแล้วล่ะก็