Ракета санки запуска , также известный как запуск наземной помощи , катапультирования помощи и запуск небесно-рампа , является предлагаемым способом для запуска пространстватранспортных средств. Согласно этой концепции, ракета-носитель поддерживается рельсом, направленным на восток, или путём на магнитной подвеске, который поднимается по склону горы, в то время как внешняя сила используется для разгона ракеты-носителя до заданной скорости. Использование внешней силы для начального ускорения снижает количество топлива, которое необходимо нести ракете-носителю для достижения орбиты. Это позволяет ракете-носителю нести большую полезную нагрузку и снижает стоимость выхода на орбиту. Когда скорость, добавляемая к ракете-носителю наземным ускорителем, становится достаточно большой, становится возможным одноступенчатый полет на орбиту с многоразовой ракетой-носителем.
Что касается гиперзвуковых исследований в целом, на гусеницах на базе ВВС Холломан по состоянию на 2011 год были испытаны небольшие ракетные сани, движущиеся со скоростью до6453 миль / ч (10385 км / ч; 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 в течение нескольких часов после использования. Стоимость существующих ракет-носителей составляет тысячи долларов за килограмм сухого веса ; Запуск салазок будет направлен на снижение требований к производительности и окупаемость затрат на оборудование из-за частых повторных запусков. В конструкции саней с наклонным рельсом для горного базирования 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, исследуемый для ускорения ракеты перед запуском, потенциально масштабируемый до больших масс и скоростей ракеты, чем запуск с воздуха . [2] [3]
Обзор проблемы
Ракеты, неся с собой собственное топливо, используют подавляющее большинство его в начале полета, ускоряясь у земли, как это зафиксировано в уравнении ракеты . Space Shuttle используется более чем на треть своего топлива только достигает 1000 миль в час (1600 км / ч). [4] Если бы начальная скорость была обеспечена за пределами ее собственного топлива, у ракеты было бы намного меньше потребности в топливе, и большую часть взлетной массы можно было бы составлять полезной нагрузкой и оборудованием.
Пример
Из-за факторов, включая экспоненциальный характер уравнения ракеты и более высокую тяговую эффективность, чем если бы ракета взлетала с места, исследование NASA Maglifter показало, что запуск ракеты ELV со скоростью 270 м / с (600 миль в час) с горы на высоте 3000 метров пик может увеличить полезную нагрузку на НОО на 80% по сравнению с такой же ракетой с обычной стартовой площадки . [5] Горы такой высоты доступны на материковой части США для облегчения логистики или ближе к экватору, чтобы получить немного больше выгоды от вращения Земли . Среди других возможностей, более крупная одноступенчатая система вывода на орбиту (SSTO) могла бы быть уменьшена в стартовой массе на 35% с помощью такой помощи при запуске, упав до 4 вместо 6 двигателей в одном рассматриваемом случае. [5]
При ожидаемом КПД, близком к 90%, электрическая энергия, потребляемая на запуск 500-тонной ракеты, составит около 30 гигаджоулей (8300 кВтч) (каждый киловатт-час стоит несколько центов при нынешней стоимости электроэнергии в Соединенных Штатах). не считая дополнительных потерь при хранении энергии. Это система с низкими предельными затратами, в которой преобладают первоначальные капитальные затраты [3]. Несмотря на то, что это фиксированная площадка, по оценкам, она обеспечивает существенное увеличение полезной нагрузки для значительной части изменяющихся азимутов запуска, необходимых для разных спутников, с маневрированием ракеты во время ранняя стадия послемартового набора высоты (альтернатива добавлению электродвигателя для последующего изменения угла наклона орбиты ). В исследовании 1994 г. затраты на направляющие на магнитной подвеске оценивались в 10–20 миллионов долларов на милю, что предполагало ежегодные затраты на техническое обслуживание магнитолевой системы порядка 1% от капитальных затрат. [5]
Преимущества высотных запусков
Запуск салазок помогает транспортному средству набирать высоту, и предложения обычно включают гусеницу, изгибающуюся в гору. Преимущества любой пусковой системы, которая запускается с большой высоты, включают уменьшение сопротивления силы тяжести (стоимость подъема топлива в гравитационном колодце). Более разреженный воздух снизит сопротивление воздуха и обеспечит более эффективную геометрию двигателя. Сопла ракет имеют разные формы (степени расширения), чтобы максимизировать тягу при разном давлении воздуха. (Хотя НАСА aerospike двигатель для Lockheed Martin X-33 был разработан для геометрии изменений остается эффективными при различных давлениях aerospike двигатель прибавил вес и сложность, X-33 финансирование было отменено в 2001 году, а также другие выгоды от запуска помощь останется, даже если двигатели Aerospike дойдут до летных испытаний). [6] [7]
Например, на высоте 2500 метров воздух на 39% тоньше. Более эффективная геометрия факела ракеты и пониженное трение воздуха позволяют двигателю быть на 5% более эффективным на количество сожженного топлива. [8]
Еще одно преимущество запусков с большой высоты состоит в том, что они устраняют необходимость в дросселировании двигателя при достижении максимального предела Q. Ракеты, запускаемые в плотной атмосфере, могут лететь с такой скоростью, что сопротивление воздуха может вызвать повреждение конструкции. [9] Дросселирование двигателей снижается при достижении максимального значения Q до тех пор, пока ракета не поднимется достаточно высоко, чтобы возобновить полную мощность. Атлас V 551 дает пример этого. Он достигает своего максимального значения Q на высоте 30 000 футов. Его двигатель снижается до 60% тяги в течение 30 секунд. [10] Это пониженное ускорение увеличивает сопротивление силы тяжести, которое ракета должна преодолеть. Кроме того, двигатели космических кораблей, связанные с max Q, более сложны, поскольку их необходимо дросселировать во время запуска.
Запуск с большой высоты не требует снижения газа на максимальном значении Q, поскольку он начинается над самой толстой частью атмосферы Земли.
Дебора А. Грант и Джеймс Л. Рэнд в книге «Система запуска с помощью воздушного шара - большой подъемный шар» [11] писали: «Некоторое время назад было установлено, что ракета наземного базирования, способная достигать 20 км, сможет достичь высоты почти 100 км, если он был запущен с 20 км ». Они предполагают, что небольшие ракеты поднимаются над большей частью атмосферы с помощью воздушного шара, чтобы избежать проблем, описанных выше.
Совместимость с многоразовыми ракетами-носителями
Ракетные сани на испытательном полигоне Чайна-Лейк достигли скорости 4 Маха при несущей массе 60 000 кг. [ необходима цитата ] Гусеница салазок, которая давала 2 Маха или больше помощи при запуске, могла сократить расход топлива на орбиту на 40% или более, помогая при этом компенсировать потерю веса при нацеливании на создание полностью многоразовой ракеты-носителя . Гусеница на высокой горе, расположенная под углом 55 ° к вертикали, могла позволить одной ступени вращаться вокруг многоразового транспортного средства без каких-либо новых технологий. [12]
Запуск ракетных санок в художественной литературе
- Роберт А. Хайнлайн использовал лунную пусковую установку на магнитной подвеске в фильме «Луна - суровая хозяйка» . Один на Земле был построен к концу романа.
- Дин Инг использовал подобную систему в своем романе 1988 года «Большие атлеты».
- Fireball XL5 был запущен на санках с уровня моря.
- У Серебряной Башни (роман) есть салазки для запуска ракеты, используемые для помощи при взлете гиперзвукового космоплана Америка .
- «Когда сталкиваются миры» (фильм) использовали ракетные сани для запуска Ковчега, но в книге этого не произошло.
- Borderlands: Pre-Sequel имеет ракетные сани в начальной кат-сцене.
- «Разрешение умереть» (графический роман) в оригинальной истории о Джеймсе Бонде Майка Грелля, управляемая салазками ракета играет ключевую роль в сюжете.
- Interstella 5555 заставляет группу Crescendolls покидать землю, используя ракетные сани, чтобы помочь при взлете.
- Ace Combat 5: The Unsung War - это видеоигра, в которой есть миссия, требующая, чтобы во время запуска была защищена площадка Rocket Sled.
- Мобильный костюм Гандам: Контратака Чара показывает, что при взлете гражданского космического шаттла использовались ракетные сани.
Смотрите также
- Ракетные сани
- Лазерный движитель
- Нераакетный запуск в космос
- Зильбервогель
- Космоплан
- StarTram
- Inductrack
- Хоппер (космический корабль)
Рекомендации
- ^ ВВС США: «Испытания устанавливают мировой рекорд скорости на суше» . Архивировано из оригинала на 4 июня 2012 года . Проверено 24 апреля 2011 года .
- ^ «Трансформационные технологии для ускорения доступа и развития космоса» . SPESIF, доктор Джон Рэзер, бывший помощник директора по развитию программы космических технологий НАСА . Архивировано из оригинального 23 марта 2012 года . Проверено 28 апреля 2011 года .
- ^ а б "Исследование компромисса Maglifter и демонстрации системы подшкалы". НАСА. CiteSeerX 10.1.1.110.9317 . Отсутствует или пусто
|url=
( справка ) - ^ НАСА: «Основы космического шаттла» . Проверено 28 апреля 2011 года .
- ^ а б в «Маглифтер: передовая концепция с использованием электромагнитной тяги для снижения стоимости космического запуска» . НАСА . Проверено 24 мая 2011 года .
- ^ «РС-2200» . Архивировано из оригинального 17 -го марта 2011 года . Проверено 28 апреля 2011 года .
- ^ «Сопло Aerospike» . Проверено 28 апреля 2011 года .
- ^ «Компенсация высоты» . Проверено 28 апреля 2011 года .
- ^ «Динамическое давление» . Проверено 28 апреля 2011 года .
- ^ «Руководство по планированию миссий по системе запуска Atlas» (PDF) . Проверено 28 апреля 2011 года .
- ^ «Система запуска с помощью воздушного шара» . Проверено 17 сентября 2020 года .
- ^ "Sky Ramp Technology" . Проверено 28 апреля 2011 года .
Внешние ссылки
- Сайт, посвященный Skyramps: http://www.g2mil.com/skyramp.htm
- «Подход с использованием легкой газовой пушки к достижению« первой ступени ускорения »для многоразовой космической транспортной системы» 1997 М. Фрэнк Роуз, Р.М. Дженкинс, М.Р. Браун, Институт космической энергии, Обернский университет, Алабама, 36849
- Ссылка на предложение Lockheed о санной многоразовой ракете-носителе. http://www.astronautix.com/lvs/recstics.htm
- Европейский Феникс: испытательный корабль готовит основу для многоразовой ракетной техники http://www.space.com/missionlaunches/europe_phoenix_020621.html
- База ВВС Холломан: http://www.holloman.af.mil/photos/index.asp?galleryID=2718
- НАСА изучает пневматические ракетные ускорители: http://www.techbriefs.com/content/view/2257/32/
- Описывает эффективность ракеты при различных давлениях воздуха и аэрокосмический двигатель: http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/compensation.shtml