Запуск ракетных санок - Rocket sled launch

Эта статья о запусках ракет с помощью направляющих без ракетного двигателя. Для железных дорог с ракетным двигателем см. Ракетные сани.
Пример системы помощи при запуске салазок: предложение НАСА Maglifter о придании ракете 500+ тонны начальной скорости с горы.

А запуск ракетных санок, также известный как наземный пусковой механизм, помощь при запуске катапульты, и спуск с трамплина, это предлагаемый метод для запуск Космос транспортных 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 приложенной извне 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, одноступенчатый на орбиту становится возможным полет с многоразовой ракетой-носителем.

Для гиперзвуковых исследований в целом треки на База ВВС Холломан протестировали, по состоянию на 2011 год, малые ракетные сани, движущиеся со скоростью до 6453 миль / ч (10 385 км / ч; 8,5 Маха).[1]

Фактически скат сделает самую дорогостоящую первую ступень ракеты полностью повторно используемой, поскольку салазки возвращаются в исходное положение для дозаправки и могут быть повторно использованы в течение нескольких часов после использования. Существующие ракеты-носители имеют связанные с производительностью затраты в размере тысячи долларов за килограмм сухого веса; Запуск салазок будет направлен на снижение требований к производительности и окупаемость затрат на оборудование из-за частых и повторяющихся 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 ) - еще один метод, исследуемый для ускорения ракеты перед запуском, потенциально масштабируемый до больших масс и скоростей ракеты, чем воздушный запуск.[2][3]

Обзор проблемы

Ракеты, неся с собой собственное топливо, используют подавляющее большинство его в начале своего полета, разгоняясь вблизи земли, как это закреплено в уравнение ракеты. В Космический шатл использовал более трети топлива только для того, чтобы разогнаться до 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 большая часть взлетной массы могла бы составлять полезный груз и оборудование.

Пример

Из-за факторов, включая экспоненциальный характер уравнение ракеты и выше тяговая эффективность чем если бы ракета взлетела с места, НАСА Исследование Maglifter показало, что запуск со скоростью 270 м / с (600 миль в час) ELV ракета с горной вершины на высоте 3000 метров может увеличить полезную нагрузку до ЛЕО на 80% по сравнению с такой же ракетой из обычного стартовая площадка.[5] Горы такой высоты есть в пределах материковой части США для упрощения логистики или ближе к экватору, чтобы получить немного больше прибыли от Вращение Земли. Среди других возможностей более крупный одноступенчатый на орбиту Взлетная масса (SSTO) могла бы быть уменьшена на 35% с такой системой помощи при запуске, упав до 4 вместо 6 двигателей в одном рассматриваемом случае.[5]

При ожидаемой эффективности, близкой к 90%, электрическая энергия, потребляемая на запуск 500-тонной ракеты, будет составлять около 30 гигаджоулей (8300 кВтч) (каждый киловатт-час стоит несколько центов в настоящее время. стоимость электроэнергии в США), не считая дополнительных потерь при хранении энергии. Это система с низкими предельными издержками, в которой преобладают первоначальные капитальные затраты.[3] Несмотря на то, что это фиксированная площадка, по оценкам, она обеспечит существенное увеличение полезной нагрузки для большой части различных азимутов запуска, необходимых для разных спутников, с маневрированием ракеты на ранней стадии послепускового подъема (альтернатива добавлению электрическая силовая установка Для последующего изменение наклонения орбиты ). В исследовании 1994 г. затраты на использование направляющих на магнитной подвеске оценивались в 10–20 миллионов долларов на милю, что предполагало ежегодные затраты на техническое обслуживание маглев порядка 1% капитальных затрат.[5]

Преимущества высотных запусков

Запуск ракетных санок помогает транспортному средству набирать высоту, и предложения обычно включают в себя гусеницу, изгибающуюся в гору. Преимущества любой системы запуска, которая запускается с большой высоты, включают уменьшение гравитационное сопротивление (стоимость подъема топлива в гравитационном колодце). Более разреженный воздух уменьшит сопротивление воздуха и позволяют более эффективную геометрию двигателя. Сопла ракет имеют разные формы (степени расширения), чтобы максимизировать тягу при разном давлении воздуха. (Хотя НАСА аэрокосмический двигатель для Локхид Мартин Х-33 был разработан для изменения геометрии, чтобы оставаться эффективным при различных давлениях, двигатель Aerospike добавил вес и сложность; Х-33 финансирование было отменено в 2001 году; и другие выгоды от помощи при запуске сохранятся даже в том случае, если аэрокосмические двигатели дойдут до летных испытаний).[6][7]

Например, на высоте 2500 метров воздух на 39% тоньше. Более эффективная геометрия факела ракеты и уменьшенное трение в воздухе позволяют двигателю быть на 5% более эффективным в зависимости от количества сожженного топлива.[8]

Еще одно преимущество запусков с большой высоты заключается в том, что они устраняют необходимость в дросселировании двигателя, когда макс Q предел достигнут. Ракеты, запускаемые в плотной атмосфере, могут лететь с такой скоростью, что сопротивление воздуха может вызвать повреждение конструкции.[9] Двигатели дросселируются, когда макс. Q достигается, пока ракета не наберет достаточно высоты, чтобы возобновить полную мощность. В Атлас V 551 дает пример этого. Достигает своего максимума 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 с макс. Q более сложны, поскольку их необходимо регулировать во время запуска.

При запуске с большой высоты не нужно сбрасывать газ на макс. 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 - воздушный шар с большой грузоподъемностью»,[11] писал: «Некоторое время назад было установлено, что ракета наземного базирования, способная достигать 20 км, могла бы достичь высоты почти 100 км, если бы она была запущена 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 полигоне China Lake достигли скорости 4 с грузом 60 000 кг.[нужна цитата ] Гусеница салазок со скоростью 2 Маха или выше могла снизить расход топлива на орбиту на 40% или более, одновременно помогая противодействовать штраф за вес при стремлении сделать полностью многоразовая ракета-носитель. Гусеница на высокой горе, расположенная под углом 55 ° к вертикали, могла позволить одной ступени вращаться вокруг многоразового корабля без каких-либо новых технологий.[12]

Запуск ракетных санок в художественной литературе

  • Роберт А. Хайнлайн использовал лунную пусковую установку маглев в Луна - суровая хозяйка. Один на Земле был построен к концу романа.
  • Дин Инг использовал аналогичную систему в своем романе 1988 года «Большие атлеты».
  • Огненный шар XL5 был спущен на санках с уровня моря.
  • Серебряная башня (роман) имеет салазки для запуска ракет, используемые для помощи при взлете гиперзвукового космоплана Америка.
  • Когда миры сталкиваются (фильм) использовал ракетные сани, чтобы запустить Ковчег, но книга - нет.
  • Borderlands: Pre-Sequel в начальной кат-сцене есть ракетные сани.
  • «Разрешение умереть» (графический роман) в оригинальном рассказе Майка Грелля о Джеймсе Бонде, управляемая салазками ракета играет ключевую роль в сюжете.
  • Ace Combat 5: Незаметная война В видеоигре есть миссия, требующая, чтобы во время запуска была защищена площадка для ракетных санок.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ВВС США: «Тест устанавливает мировой рекорд скорости на суше». Архивировано из оригинал 4 июня 2012 г.. Получено 24 апреля, 2011.
  2. ^ «Трансформационные технологии для ускорения доступа и развития космоса». SPESIF, доктор Джон Рэзер, предыдущий заместитель директора по развитию программы космических технологий в НАСА. Архивировано из оригинал 23 марта 2012 г.. Получено 28 апреля 2011.
  3. ^ а б "Изучение компромисса Maglifter и демонстрации системы подшкалы". НАСА. CiteSeerX  10.1.1.110.9317. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  4. ^ НАСА: "Основы космических шаттлов". Получено 28 апреля, 2011.
  5. ^ а б c «Маглифтер: передовая концепция использования электромагнитной тяги для снижения стоимости космического запуска». НАСА. Получено 24 мая 2011.
  6. ^ «РС-2200». Архивировано из оригинал 17 марта 2011 г.. Получено 28 апреля, 2011.
  7. ^ "Сопло Aerospike". Получено 28 апреля, 2011.
  8. ^ «Компенсация высоты». Получено 28 апреля, 2011.
  9. ^ «Динамическое давление». Получено 28 апреля, 2011.
  10. ^ «Руководство по планированию миссий по системе запуска Atlas» (PDF). Получено 28 апреля, 2011.
  11. ^ "Система запуска с помощью воздушного шара". Получено 17 сентября, 2020.
  12. ^ "Sky Ramp Technology". Получено 28 апреля, 2011.

внешняя ссылка

  1. Веб-сайт, посвященный Skyramps: http://www.g2mil.com/skyramp.htm
  2. «Подход с использованием легкого газового пистолета к достижению« первой ступени ускорения »для многоразовой космической транспортной системы» 1997 М. Франк Роуз, Р.М. Дженкинс, М. Р. Браун, Институт космической энергии, Обернский университет, Алабама, 36849
  3. Ссылка на предложение Lockheed о санной многоразовой ракете-носителе. http://www.astronautix.com/lvs/recstics.htm
  4. Европейский Феникс: испытательный корабль готовит основу для многоразовой ракетной техники http://www.space.com/missionlaunches/europe_phoenix_020621.html
  5. База ВВС Холломан: http://www.holloman.af.mil/photos/index.asp?galleryID=2718
  6. НАСА изучает пневматические ракетные ускорители: http://www.techbriefs.com/content/view/2257/32/
  7. Описывает эффективность ракеты при различных давлениях воздуха и аэрокосмическом двигателе: http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/compensation.shtml