Формы ракет на Земле без атмосферы

Атмосферное сопротивление и гравитационные потери составляют около 1,5–2 км/с от нормального запаса скорости 9,4–10 км/с при запуске на НОО.

С используемыми нами траекториями атмосферное сопротивление составляет лишь небольшую часть этого, но мы бы использовали более эффективные траектории и более низкие орбитальные высоты, если бы нам не нужно было беспокоиться об атмосфере! Итак, предположим, что нам потребуется 8,5 км/с вместо 10 км/с для ∆v, что из-за нелинейного характера уравнения ракеты предполагает, что вам потребуется только около 55-60% больше ракеты для данного полезная нагрузка.

Однако конструкция ракет, запускаемых с Земли, сильно ограничена атмосферой. Они сделаны высокими и тонкими, чтобы свести к минимуму лобовое сопротивление, и имеют обтекаемую обшивку вокруг бака и полезной нагрузки, что увеличивает вес. Ракета, предназначенная для запуска из вакуумного мира, будет состоять в основном из больших сферических резервуаров, прикрепленных к минимальной раме. Более компактная форма привела бы к значительному уменьшению веса — более короткие кабельные трассы, топливопроводы и т. д. — которые, хотя и были бы небольшими по отдельности, складывались бы.

Пусковые установки также могут использовать эффективные, легкие двигатели низкого давления, работающие на жидком водороде, с первой ступени; Удельный импульс системы улучшается, ракеты становятся легче, все довольны.

Однако миссии по возвращению были бы просто жестокими. В наших пилотируемых миссиях атмосферное торможение обеспечивает практически все замедление от орбитальной скорости. Без атмосферы, если вам нужно 8,5 км/с, чтобы подняться, вам нужно 8,5 км/с, чтобы вернуться целым и невредимым. Чтобы посадить одноместную капсулу, такую ​​как «Меркурий», вам может понадобиться доставить на орбиту около 50 тонн полезной нагрузки!

Если бы у Земли не было атмосферы, я думаю, вы бы увидели гораздо более радикальные изменения в космических полетах, о которых говорят другие плакаты. Хотя ракеты могли использоваться на заре космической эры, я думаю, что мы будем использовать для запуска что-то вроде поездов на магнитной подвеске. Возьмите большую плоскую площадку и поместите на нее очень, очень длинную дорожку. В отличие от поезда, он будет разгоняться с ракетными ускорениями. Вы ускоряете свой корабль, пока он не достигнет скорости орбиты с перигеем на 0 и апогеем на желаемой высоте. Корабль улетает в космос, поезд замедляется и восстанавливается. Когда он достигает апогея, он сжигает циркуляризацию.

Если ваша точность достаточно высока, вы даже можете использовать аналогичную систему для посадки, хотя я бы сделал это с тросами, чтобы схватить возвращающийся космический корабль, а не пытаться состыковаться с поездом.

Принципиально земная атмосфера влияет на ракету-носитель двумя способами:

1. Сопротивление, которое это вызывает, и
2. Трение, вызванное молекулами воздуха, нагревает пусковую установку.

Простое уравнение ракеты показывает, как тяга, создаваемая ракетой, используется для преодоления сил, действующих против нее. Тяга,$T$можно дать как,

$T = ma + mg + F_D$

где m — масса ракеты (и полезной нагрузки), ai — ускорение, g — ускорение свободного падения и$F_D$сила сопротивления, действующая на него.

Если атмосферы нет, то и термина сопротивления не будет, и избыточная тяга может быть использована для увеличения ускорения. Кроме того, поскольку нет атмосферы, нет необходимости в теплозащитном экране, что еще больше снижает массу ракеты. Так что, по сути, мы можем достичь больших высот с меньшим количеством топлива или использовать меньше топлива для достижения той же высоты.

Что касается посадки, то поучительно посмотреть, как НАСА совершило посадку на МАРС, у которого около 1$\%$земной атмосферы.

Для посадки Феникса на Марс НАСА пришлось использовать двухступенчатую систему: сначала космический корабль замедлился с помощью парашюта, а затем для его посадки использовались ретро-ракеты.

Если атмосферы нет, это полезно с одной стороны, потому что нет нагрева космического корабля при входе в атмосферу; однако единственным способом приземлиться будет использование реактивных двигателей.

Фото предоставлено: NASA/JPL/Corby Waste.

Это значительно усложнит систему. Обратите внимание, что я сравниваю только обычные одноразовые системы, а не многоразовые космические системы, такие как шаттл.

Так что, если рассматривать только пуск/сброс, то при отсутствии атмосферы запуск ракет в космос будет сравнительно намного проще, а на обратном участке будет не менее, если не сложнее.