Bisakah pesawat ruang angkasa yang diluncurkan melalui udara mencapai kecepatan lepas?

Roket seperti Ariane 5 berbobot ratusan ton, tetapi dengan sekitar 85% dari berat itu menjadi bahan bakar, fraksi muatannya hanya sekitar 3% (~ 10-20 ton).

Virgin Galactic sedang membangun pesawat ruang angkasa suborbital , sebagian besar untuk tujuan pariwisata. Mereka terbang sekitar Mach 4, terlalu lambat untuk lepas dari bumi.

Sekarang, saya bertanya-tanya apakah pesawat ruang angkasa yang diluncurkan udara dalam 20 tahun ke depan secara realistis benar-benar dapat menerbangkan kita ke bulan - yaitu, dapatkah mereka mencapai kecepatan lepas?

Sebagai pertanyaan sampingan, jika mereka dapat: Apakah bahan bakar tersebut lebih atau kurang efisien daripada roket standar seperti Saturn V ? Berapa banyak muatan yang secara realistis dapat diangkut?

Percaya atau tidak, kita bisa melakukan ini 50 tahun yang lalu, jika dana pemerintah tidak ditarik dari proyek pada menit terakhir. Dengan frustrasi, setelah bertahun-tahun bekerja oleh para ilmuwan, insinyur dan teknisi, proyek Boeing X-20 Dyna-Soar dibatalkan sesaat setelah pekerjaan dimulai pada pesawat ruang angkasa yang sebenarnya.

Berikut kesan artis tentang X-20:

X-20 adalah hasil dari program militer yang bertujuan untuk mengembangkan pesawat ruang angkasa orbital yang akan digunakan untuk pemboman dan pengintaian. Itu dirancang untuk diluncurkan ke orbit dan untuk tinggal di sana sebentar. Meskipun ukurannya kecil - panjangnya hanya 35 kaki - secara teori akan mencapai kecepatan orbit setelah peluncuran, secara teori. Itu berhasil sampai ke Mach 18 selama tes latihan glide.

X-20 tidak dirancang untuk diluncurkan dengan udara, tetapi untuk diluncurkan di atas rudal Titan III . Namun , desain yang mirip - prekursor ke X-20, jika Anda akan - disebut Bomi itu dirancang untuk diluncurkan seperti ini. Sini$^1$ adalah perbandingan Bomi (di sebelah kiri), X-20 (dua di paling kanan), dan Robo, proyek terkait:

_{(sumber: astronautix.com )}

Ada dua versi Bomi: yang suborbital, dengan kecepatan maksimum Mach 4, dan yang orbital, dengan kecepatan maksimum - well, kecepatan orbital. Yang terakhir mungkin adalah yang Anda minati. Panjangnya sekitar 23 kaki dan akan memiliki muatan 34.000 kilogram - cukup untuk dua bom nuklir.

Kedua versi akan diluncurkan pada semacam peluncur - kendaraan besar yang diperlihatkan Bomi. Desain ini juga dapat diubah tergantung pada apakah penerbangan itu orbital atau sub-orbital.

Bomi akhirnya dibatalkan karena dana ditarik untuk Dyna-Soar (X-20), yang kemudian mengalami nasib yang sama. Tetapi Dyna-Soar berhasil melewati tahap uji luncur (dijatuhkan dari B-52), dan hampir benar-benar berhasil mencapai ruang angkasa. Seandainya sumber dayanya dipindahkan ke Bomi, itu bisa berhasil.

Mungkinkah Bomi lolos dari orbit Bumi? Dengan sedikit kerja, bisa saja. Pikirkan bagaimana berbagai keluarga roket berevolusi. Jenis yang berbeda dapat memenuhi misi yang berbeda. Saturn V adalah hasil akhir dari roket yang lebih kecil, suborbital, dan orbital. Jika Bomi dikembangkan sejauh program Apollo, saya pikir sangat mungkin bisa keluar dari orbit Bumi.

$^1$Gambar ini tampaknya berada di domain publik, seperti yang dinyatakan di sini .

Sekarang, saya bertanya-tanya apakah pesawat ruang angkasa yang diluncurkan udara dalam 20 tahun ke depan secara realistis benar-benar dapat menerbangkan kita ke bulan - yaitu, dapatkah mereka mencapai kecepatan lepas?

• Peluncuran udara ke LEO: Selesai sekarang

• Peluncuran udara ke orbit bulan - ya, tetapi pada 20% -25% dari muatan LEO

• Peluncuran udara ke Bulan dan kembali ke LEO: Ya, tetapi dengan sekitar 5% dari muatan LEO

• Sangat mudah untuk mengabaikan beberapa kenyataan praktis ketika tertarik pada sistem berbasis kertas.
  Rasio massa kendaraan yang diluncurkan melalui udara terhadap massa induk yang tidak bersayap tidak boleh diabaikan. Ukuran Mothership menetapkan batas atas untuk massa ruang-kendaraan. Peningkatan di atas massa muatan pesawat angkut berat dapat dimungkinkan dengan mis. Balon, tetapi ini membutuhkan beberapa sistem yang sangat khusus. Melihat angka-angka di bawah ini, kelihatannya seperti kembalinya bulan berawak ke permukaan bumi adalah ekspektasi yang sangat realistis untuk sistem peluncuran udara. Pesawat kecil tak berawak menuju orbit bulan praktis.

Jawabannya adalah "ya, jelas" karena Anda dapat membangun peluncur bulan yang lebih kecil dari biasanya dan Anda dapat membangun sarana untuk meluncurkannya di udara. mis. Peluncuran balon dapat memungkinkan massa yang sangat besar dan telah diusulkan dalam berbagai penelitian.

Bukti keberadaan konsep umum datang dalam bentuk beberapa kendaraan orbital "Orbital Sciences Corporation" yang diluncurkan. Ini hanya digunakan untuk penyisipan LEO (orbit rendah bumi) tetapi kecepatan lepas akan dapat dicapai mengingat muatan yang sesuai kecil.

Materi di bawah ini memberikan contoh-contoh dari apa yang dapat dicapai secara realistis berdasarkan pada peluncur satelit LEO kecil yang diluncurkan udara dan sebagaimana proposal 2013 dari Orbital Sciences, Burt Rutan dan Paul Allen.

Ini menunjukkan bahwa peluncuran udara yang tidak signifikan dapat menghasilkan sekitar 800 hingga 1.000 pound ke orbit bulan - lebih banyak dengan bahan bakar dan sistem terdepan, atau bahkan 'kapal induk' yang lebih besar. Ini lebih kecil tidak nyaman daripada apa yang Anda inginkan secara realistis untuk mengirim satu orang ke orbit bulan dan kembali. Meskipun penskalaan mungkin dilakukan, itu tidak terlihat menarik untuk penerbangan pulang-pergi orang banyak.

Keuntungan dari peluncuran udara bukanlah peningkatan ketinggian tetapi peningkatan signifikan dalam hambatan udara berkurang, dan peningkatan kecil dalam kecepatan. Sementara kecepatan peluncuran udara adalah sebagian kecil dari kecepatan orbital, peluncur berbasis darat harus menambahkan kecepatan awal sambil mendukung massa maksimum melawan gravitasi. Ini kecil dibandingkan dengan kerugian hambatan udara, tetapi bermanfaat. Bagian hambatan udara sekitarsetiap 15.000 kaki, dan seret berbanding terbalik dengan kepadatan udara. Dan drag sebanding dengan kecepatan yang dikuadratkan - jadi jika Anda dapat mulai lebih lambat dan lebih tinggi dapat membantu secara signifikan. Anda pada akhirnya akan membutuhkan kecepatan "horizontal" yang sangat besar untuk mengorbit, tetapi pada awalnya, bangun dari atmosfer bawah yang tebal dengan kerugian minimal sangat penting. "Motherhip" memiliki sayap dan mesin bernafas udara dan bahan bakar lebih murah dibandingkan dengan biaya membawanya ke ketinggian tinggi dan kecepatan tinggi, sehingga sistem peluncuran udara memberikan keuntungan dalam biaya kendaraan peluncuran dan kemampuan dalam situasi di mana sangat mungkin untuk membangun "induk" yang cukup besar. Untuk muatan LEO kecil itu sangat layak (dan digunakan), untuk paypal bulan satu arah yang sangat kecil itu bisa dilakukan, tetapi untuk pengembalian bulan,

Ini adalah video peluncuran udara Sistem XL "Pegasus" . Ini menunjukkan aksi dari sesaat sebelum peluncuran hingga kelelahan tahap 1.

"Tahap selanjutnya" dari kapabilitas ini hingga Mei 2013 ditunjukkan di sini.
Stratolaunch dan Orbital - Ketinggian Peluncuran Udara . Bagaimana ini telah dimodifikasi oleh peristiwa yang lebih baru, saya tidak tahu, tetapi ini menunjukkan apa yang sedang direncanakan pada tahun 2013 sehingga berkaitan dengan pertanyaan Anda.

Peluncur ini mengusulkan muatan 13.500 pound ke LEO.
Itu tidak luas - tapi jelas memberikan muatan berguna

Penugasan delta V relatif dan persyaratan bahan bakar untuk misi terlalu rumit untuk memungkinkan jawaban sederhana yang mencakup lebih dari contoh spesifik, tetapi sebagai indikasi yang benar-benar kasar, "delta-V" dari LEO ke orbit bulan sangat sekitar 40% dari yang diperlukan untuk mencapai LEO dari permukaan bumi. Tabel di bawah ini memberikan perubahan kecepatan yang diperlukan untuk berbagai transisi orbital dan lokasi. Ini memberikan 3,9 km / s sebagai delta V yang dibutuhkan dari LEO ke orbit bulan.

Rumus dasar untuk menghitung perubahan kecepatan roket adalah persamaan roket (tidak mengherankan):

• V = Isp xgx ln (M2 / M1)

  Isp = dorongan spesifik bahan bakar
  M2 = massa mulai
  M1 = massa akhir g = konstanta gravitasi (~~ = 10 m / s / s)

Sebut M2 / M1 = rasio massa = MR.

Menggunakan sederhana dengan standar modern Isp 300, untuk menghasilkan delta-V katakanlah 4000 m / S membutuhkan MR sekitar 3,7 atau massa akhir ~ = 1 / 3,7 = 27% dari total.
Jadi TENTANG 25% dari 13.500 pound di atas dapat dikirim ke orbit bulan
= ~ 3375 pound = 1,5 ton
~ = 1,5 ton :-)

Ini pada gilirannya bisa mengembalikan sekitar 840 pound ke LEO dan jumlah yang agak lebih rendah kembali ke bumi. Tabel di bawah ini dari halaman universitas Delft ini

Terkait:

Gambar peluncur Pegasus dengan tautan

OSC Pegasus - 44 diluncurkan sejak 1990.

Pegasus XL - 443 kg untuk LEO jadi TENTANG 100 kg ke orbit bulan.

Misi NASA Pegasus 2014

Halaman Facebook OSC

Sistem delta V bagan dalam

Dari ** Wikipedia - anggaran Delta-v
dan juga digunakan dalam pos pertukaran tumpukan ini

Mulai model mental Anda dengan mengasumsikan jalur penerbangan roket. Bagan kecepatan / ketinggian vs waktu untuk Space Shuttle:

_{(sumber: aerospaceweb.org )}

Mesin jet lebih baik $Isp$dari roket. Mari kita letakkan mesin jet di roket kita. Falcon 9 mengeluarkan sekitar 1,1m lbs dorong, sehingga kita dapat menggunakan GE-90 untuk menambah 120.000 lb, menggandakan akselerasi di permukaan laut. Elon Musk mengatakan bahwa Falcon 9 berharga sekitar $ 54 juta per seluruh roket. GE-90 berharga sekitar $ 24 juta. Ups. Kami menambahkan biaya 50% ke sistem (tidak termasuk integrasi atau mengembangkan sistem pemulihan) dan daya dorong turun dengan cepat dengan ketinggian.

Mari kita gunakan F-414 sebagai gantinya. Harganya sekitar $ 4 juta dan dapat bermanfaat hingga sekitar Mach 2 dengan saluran masuk yang dirancang dengan baik, dan kecepatannya benar-benar membantu kami mengembangkan tekanan ram, yang memberi makan gaya ramjet afterburner. Kami mendapatkan 26.000 lbs dorong untuk hanya $ 4 juta dan lebih lama terbakar, lebih baik tetapi tidak bintang. Roket kami angkat masih harus raksasa, jadi kita tidak yang baik off belum.

Ramjets murni menghadirkan dilema bobot mati saat lepas landas, menambahkan lebih banyak roket pada fase akselerasi paling lambat, jadi mungkin kita juga tidak bisa menang di sana. Ramjets hanya menyusul roket di$Isp$ pada sekitar Mach 0,5 dan tidak dapat menghasilkan dorongan penuh untuk sementara waktu karena mereka akan meniupkan udara keluar dari depan jika mereka menambahkan terlalu banyak bahan bakar sampai tekanan ram cukup tinggi.

Jadi .. mesin bernafas udara tidak menghasilkan satu ton daya dorong per dolar dan memiliki kisaran kecepatan rendah. Sayap terangkat pada kecepatan sekitar 16: 1, sehingga kita dapat menggunakan mesin kami untuk berakselerasi perlahan dan terbang hingga 40.000 kaki dan Mach 1. Ini tidak akan menghemat satu ton bobot roket karena itu sekitar 1/25 dari kecepatan akhir itu dan satu menit hambatan. Katakanlah kita memotong berat 20% dan hanya perlu membawa 900.000 lb.

A 747-8 membawa 308.000 lb kargo dan biaya sekitar $ 350.000.000. Katakanlah skala biaya dan kargo secara linear, setidaknya kita melihat peluncur $ 700.000.000, jauh dari $ 54juta, diamortisasi atas jumlah peluncuran, tetapi demikian juga biaya pengembangan, yang untuk 747-8 adalah $ 3.7bn. Sekali lagi, penskalaan secara linear, kita membutuhkan sekitar $ 8 miliar untuk tersebar di banyak peluncuran. SpaceX baru-baru ini mengumpulkan $ 1 milyar dari Google dan Fido, tidak cukup.

Di situlah letak dilema meluncurkan muatan dengan pesawat udara. Entah Anda membutuhkan mesin jet dorong-ke-berat yang jauh lebih murah dan lebih tinggi yang mengembangkan daya dorong pada kecepatan nol, atau Anda kembali ke roket dan teknik pemulihan seperti ULA dan SpaceX sedang berkembang.

Banyak yang mencoba untuk mengasumsikan jalur penerbangan bernafas lebih lama dengan kecepatan yang semakin meningkat, tetapi Anda mulai menggunakan scramjet, pra-pendingin, manajemen panas, dan sepertinya tidak pernah menjadi lebih kecil, berkinerja di atas amplop yang cukup besar, atau mencapai kecepatan yang cukup tinggi penting untuk roket akhirnya.