Можно ли запустить ракету с воздушного шара?

Есть несколько (коммерческих) организаций, изучающих альтернативные способы запуска космических ракет. Одним из часто предлагаемых методов является использование большого самолета в качестве стартовой платформы. Этот метод теоретически должен снизить стоимость отправки ракет в космос.

Метеозонды могут достигать высоты 20 км и более. Можно ли использовать воздушный шар в качестве стартовой платформы для космических ракет? Я предполагаю, что пропуск первых 20 км полета может значительно компенсировать стоимость запуска.

Хороший вопрос. Моя первая мысль; пока это возможно; преодоление логистических проблем отменит любые преимущества. Очевидно, что вы не можете запустить с верхней части воздушного шара, и отсюда вытекают логистические проблемы.
Ну, вы могли бы использовать воздушный шар в форме пончика, верно? Платформа может быть ниже воздушного шара, и ракета может быть запущена из трубы, проходящей через воздушный шар (что-то вроде ракетной установки или торпедного аппарата).
Как писал Джеймс, логистика может быть проблемой. Полезная нагрузка, дрейф, юрисдикция воздушного пространства также входят в картину.
Вы можете запустить снизу, с наполненным водородом шаром, самоуничтожающимся, как только загорятся двигатели ракеты, или просто привязаться к ракете достаточно долго, чтобы шар не мешал, а ракета успела и место, чтобы облететь его. Еще большей проблемой является явная экономия на масштабе. Вам понадобится огромный воздушный шар, чтобы поднять любой значительный полезный груз с достаточным количеством топлива, чтобы вывести его на орбиту.
@СФ. Мысли вслух. Может ли водород/гелий в воздушном шаре в основном перекачиваться в ракету в качестве запасного топлива?
@Everyone: водород на воздушном шаре не находится под давлением, иначе он был бы тяжелее воздуха. Водород под давлением воздуха является топливом с очень низкой плотностью энергии. Вероятно, на его сжатие затрачивается больше энергии, чем можно было бы восстановить при его сжигании.
Хорошо, кто из вас стоит за этим ?
Вы можете спрыгнуть с воздушного шара и запустить двигатели, как только окажетесь на безопасном расстоянии от него.
Один из конкурентов на Ansari X Prize был такой: en.wikipedia.org/wiki/Da_Vinci_Project - хоть цель и была только суборбитальная, но это была попытка запуска ракеты в космос (ну выше линии Кармана во всяком случае ).
Связано, но не дублируется: space.stackexchange.com/questions/19274/…
Недавно я написал для этого решение, которое, как я думаю, может сработать, хотелось бы услышать отзывы: medium.com/@brysgo/high-altitude-mass-volley-9ee9e94f6007

Ответы (11)

Чтобы не выходить за рамки этого вопроса, я сошлюсь на одну идею, которая, по моему мнению, соответствует критериям, хотя это может быть спорным.

Я назову идею LAS с воздушным шаром , и она была опубликована в журнальной статье в 2012 году. Эта идея примечательна тем, что она началась с изучения ранее предложенных LAS (систем помощи при запуске) и формализовала требования к реалистичная система. Из-за этого я бы сказал, что это одно из «наиболее возможных» предложений.

Описание

Высотные воздушные шары будут подвешивать большие шкивы, которые в основном тянут поезда. Система будет находиться в удаленном месте и на большой высоте. Ценность самой LAS заключается в том, что она:

  • Увеличивает высоту полета ракеты.
  • Придает ракете начальную вертикальную скорость (порядка 1 км/с).

С момента запуска ракета запускается и выходит на орбиту с полезной нагрузкой около 7 кг. Все это звучит несколько банально. В конце концов, он разгоняет ракету лишь до доли орбитальной скорости, до высоты лишь долей высоты НОО, полезная нагрузка ничтожна, а скорость запуска составляет всего один раз в день. Но это наука о ракетах, по уравнению ракеты эти сокращения имеют большее значение, чем вы думаете.

Вот картинка, где розовым цветом обозначены воздушные шары, синим — ракета, а коричневым — трос.

схематический

осуществимость

Ясно, что вы можете запустить что-то на орбиту с воздушных шаров, но если для этого нет экономического обоснования, этого никогда не произойдет. LAS с воздушным шаром демонстрирует мастерство в решении нескольких вопросов, которые возникнут на этой территории. В основном проблема заключается в том, что воздушные шары очень ограничены в своей грузоподъемности. Для большей подъемной силы вам нужен шар большего размера, и вы быстро начнете раздвигать границы возможного. Это оказывает большое давление на размеры полезной нагрузки.

Из-за этого ограничения по размеру маловероятно, что какая-либо система аэростатов сможет конкурировать с большой грузоподъемностью или с пилотируемыми полетами. Даже для микроспутников вы не можете оправдать затраты на производственную цепочку, потому что потребность в частоте запуска недостаточно высока. Вот почему LAS предлагает модель баллонного депо.

В этом предложении все еще есть некоторые сомнительные моменты. Есть несколько областей, где была предложена исследовательская инженерия с использованием высотных привязных аэростатов. В частности, солнечная энергия, энергия ветра и воздушные шары связи. Были некоторые исторические прецеденты, когда привязные воздушные шары летали на расстоянии около 3 км . Военная техника натыкается на 7 км или около того . Чтобы попасть в желаемые непогодные регионы, вам придется пойти гораздо дальше, и мы также говорим об использовании действительно больших воздушных шаров. Есть еще вариант не привязывать шар, а просто взлететь и запустить ракету. Но при чем здесь повторное использование? Это затрудняет создание конкурентоспособной системы запуска, хотя это зависит от технологического состояния высотных привязных систем.

это не называется рокунс?
Я правильно понимаю, что это предложение о системе тросов и шкивов, подвешенных к воздушным шарам, которые будут разгонять ракету до сверхзвуковых скоростей?
@RussellBorogove Да, по большей части. Я не знаю, давала ли она когда-либо на самом деле скорость мини-ракеты в точке отрыва, поэтому было бы преждевременно предполагать, что она превышает 1 Мах или что такие скорости были бы практичными. Одна вещь, которую я раньше, казалось, упускал из виду, это то, что рельсы на самом деле не прилагают усилия, а только для регулировки провисания троса, как та пружинка на задней части велосипедных колес, которая позволяет вам переключаться на передачи разного размера.
Вы сказали «порядка 1 км/с», а в документе написано 0,45 км/с.

Есть веские причины, по которым воздушные шары не использовались в качестве пусковых установок.

  1. Хрупкость воздушных шаров.
  2. Высокоэнергетический характер запусков ракет
  3. Ограниченный контроль над траекторией воздушного шара
  4. Расход гелия
  5. Воспламеняемость водорода.

Воздушные шары по своей природе хрупкие. У вас должны быть очень тонкие и очень легкие материалы, чтобы сделать эффективную систему высотных аэростатов. Баумгартенер запустил баллон высотой 550 футов (168 метров) с 30 миллионами кубических футов (850 000 м³) гелия на STP, чтобы нести около 3150 фунтов (1430 кг) полезной нагрузки. Сам баллон может быть легко проткнут человеком, намеревающимся проткнуть его пальцем.

Для сравнения, стартовая масса Falcon 9 составляет около 735 000 фунтов (333 000 кг) — примерно в 233 раза больше веса, без учета его грузоподъемности до 14 000 фунтов (6350 кг). Кроме того, поскольку воздушные шары такие хрупкие, нужно будет использовать как минимум три и систему гондол, которая удерживает их хорошо разделенными, и, таким образом, можно увидеть около 7,2 миллиарда (7,2e9) кубических футов (204 миллиона м³) подъемного гелия. сэкономить около 10% стартового топлива.

Гелий не дешевый. При цене 84 доллара за 1000 кубических футов ( 2,97 доллара за м³) это составляет 6,04888 долларов (чуть более полумиллиарда долларов) только для гелия. Экономии средств нет для больших пусковых установок.

Водород, лучший лифт-газ, можно производить, но его объем все равно будет составлять около 4 миллиардов кубических футов (113 миллионов м³). Но если он загорится, это будет серьезной проблемой с пламенем. Это приведет к падению любой гондолы и конструкции.

Имейте в виду, что запуск ракеты производит шлейф высокоэнергетических газов длиной до полукилометра. Даже если горение закончилось, эти газы могут быть достаточно горячими, чтобы повредить хрупкую оболочку воздушного шара. Если эта оболочка воспламеняется, воздушный шар испытывает внезапную (и, вероятно, катастрофическую) потерю подъемной силы; если он заполнен водородом, он почти гарантированно испытает катастрофическую потерю подъемной силы.

Воздушный шар, достаточно легкий для запуска значительной полезной нагрузки, испытает внезапный и массивный подъем, когда ракета пролетит над ним. При условии, что оболочка не повреждена, потеря 95% массы приведет к внезапному и быстрому всплытию; не так быстро, как ракета, но достаточно быстро, чтобы восстановление было проблемой. Отсутствие управления траекторией также означает необходимость тщательно контролировать воздушный поток наверху. Чтобы восстановиться, воздушный шар должен иметь возможность сжимать оболочку, вентилировать оболочку или отсоединяться от оболочки; любой из этих вариантов увеличивает массу, а два из них приводят к потере подъемного газа. Учитывая малую толщину, необходимую для эффективной подъемной силы, сжатие маловероятно. Поэтому большая часть лифтового газа будет неизвлекаемой.

В конечном счете, использовать воздушные шары для преодоления начального взлета просто слишком дорого и рискованно.

http://www.redbullstratos.com/technology/high-altitude-balloon/
http://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9
http://www.weldingandgasestoday.org/index.php/2012/04/a -взгляните на рост цен на гелий/

В воздушном шаре Баумгартнера не было 30 MCF He при STP. На высоте было 30 MCF. На земле же количество He составило 0,18 мкФ. Таким образом, ваша цифра в долларах высока примерно на два порядка. Больше похоже на 3,5 миллиона долларов в He. Но только в том случае, если структура баллона масштабируется линейно, а это не так. Также я думаю, что ваша стоимость He за единицу объема примерно в два раза ниже.
Стоимость гелия уточнялась в день объявления.

Да. Однако самые большие действующие высотные воздушные шары могут поднимать только 8000 фунтов (3600 кг). Сюжет из NASA Columbia Scientific Balloon Facility :

графики возможностей научного аэростата

Так что это будет довольно маленькая ракета. Для сравнения, Pegasus XL, запускаемый с самолета, весит около 50 000 фунтов (23 000 кг).

Это вытеснение газом гелием, верно? Сильно ли это изменит нагретый водород? Кроме того, сколько весил тестовый автомобиль LDSD? Я понимаю, что в конечном итоге это не было связано с космосом, но это была своего рода ракета , запущенная с высотного аэростата.
Газообразный водород не сильно изменит плавучесть. 29 − 4 против. 29 − 2 , так что, может быть, еще 600 фунтов. Однако ограничение в 8000 фунтов связано не с плавучестью, а с конструкционной несущей способностью оболочки воздушного шара. Я пытался заставить их дать мне немного больше подвешенного веса, что теоретически они могли бы сделать с небольшим количеством гелия, но они не сдвинулись бы с места из-за предела нагрузки оболочки воздушного шара. Окончательная подвешенная масса была близка к пределу в 8000 фунтов. Это включало поезд на воздушном шаре, гондолу и испытательный автомобиль. Сам испытательный автомобиль весил около 6800 фунтов.
Я понятия не имею, как можно нагреть водород или гелий, если уж на то пошло, и поддерживать его там горячим.
Да, это было бы вызовом, если не сказать больше. Не знаю, довольно надуманная идея была бы излучать микроволны, скажем, мощные МАЗЕРЫ на частоте возбуждения Водорода, но да... Фантастика :)

Вы, вероятно, могли бы, но это не очень помогло бы.

Причина, по которой трудно выйти на орбиту, не в том, что космос находится высоко.

Трудно выйти на орбиту, потому что нужно лететь очень быстро.

от XKCD Что, если? № 58

На самом деле, это не совсем так. Из-за ракетного уравнения (вы должны запускать все свое топливо с собой в обычной ракете) запуск с большей высоты и / или со значительной начальной скоростью может значительно уменьшить количество требуемого топлива. Стек космического челнока, например, сжег почти половину своей массы за первые 90 секунд после запуска, и в этот момент он все еще движется довольно медленно по сравнению с его конечной орбитальной скоростью, и он еще не достиг даже 100 000 футов, IIRC.
Через 90 секунд космический шаттл движется со скоростью более 1 километра в секунду, что составляет более одной восьмой его орбитальной скорости.
Это старая истина, но в этом бизнесе все подвергается сомнению. Энтузиасты из JPaerospace намерены разогнать свой дирижабль с помощью ионного двигателя в течение многих часов или дней в разреженном воздухе на большой высоте. Пока не достигнет орбитальной скорости. И они делают больше, чем фотошоп, они на самом деле создают вещи, полные горячего воздуха :-) jpaerospace.com/atohandout.pdf
Роль ракеты-носителя Falcon 9 в основном заключается в достижении высоты. Когда она станет достаточно высокой, разгонный блок сделает основную работу, чтобы достичь орбитальной скорости. Является ли ракета-носитель Falcon 9 тривиальной задачей? Конечно нет. Получение необходимой высоты не является незначительным препятствием. Я бы хотел, чтобы люди перестали использовать этот мультфильм XKCD. Тем не менее, запуск воздушного шара нецелесообразен.
«Через 90 секунд космический шаттл движется со скоростью более 1 километра в секунду». Большая часть этого 1 км/с приходится на вертикаль. Компонент вертикальной скорости уменьшается по мере подъема челнока. Таким образом, 1 км/с очень мало влияет на горизонтальную скорость 7,7, которую должен достичь шаттл.

Да, некоторые люди пытаются это сделать:

http://www.bloostar.com/

У этого решения есть преимущества, такие как меньшее сопротивление во время всплытия (что особенно важно для небольших пусковых установок из-за закона квадрата/куба) и лучшее Isp из-за более низкого давления при запуске. Вы также можете уменьшить массу обтекателя полезной нагрузки. Однако масса пусковой установки сильно ограничена, и у вас гораздо меньше контроля над процедурой запуска. Прервать и вернуть пусковую установку и полезную нагрузку будет очень сложно.

Этот ответ должен быть как минимум на 20 км выше, чем другие, которые кажутся мне в основном неосведомленными.

Это никогда не было предпринято, но было несколько человек, которые рассматривали это. На самом деле десять лет назад в конкурсе Ansari X-Prize был обширный раздел, посвященный запускам воздушных шаров. Самой известной ракетой, которая должна была быть разработана, был проект да Винчи .

Хотя это может сработать для суборбитального полета, маловероятно, что это сработает для орбитального полета. Скорость является ключевым фактором для орбитального полета, и вы получаете больше от самолета. Плюс самолеты в целом более гибкие, чем воздушный шар. В целом с ними проще работать.

Вопрос напомнил о ЛОХАНЕ из The Register , преемнике PARIS .
На самом деле, это было предпринято, и с некоторым успехом. en.wikipedia.org/wiki/Рокун
Конечно, но не совсем в космос...

Приведу немного расчетов:

20 км — это всего лишь 5 процентов перигея IIS, равного 412 км .

Главное сопротивление не воздух, главное сопротивление гравитация.

Даже на IIS гравитация оказывает огромную силу, период обращения вокруг Земли составляет 92,87 минуты. До 1,5 часов!!! Эта же сила притягивает ИИС к Земле. Эти две силы, направленные вниз и вперед, равны. Допустим, я иду с одной из точек Земли, а через 1,5 часа пересекаю Землю и возвращаюсь обратно. Это бешеная скорость.

Чтобы лететь, ракета должна лететь по диагонали, чтобы выйти на орбиту, после старта ракеты кренится вбок.

На 20км может спастись только трение воздуха, потому что это тропосфера ( 80% массы атмосферы ), но скорость ракеты не настолько велика, чтобы ощущать трение воздуха.

Я рискованно предположить, что в этом случае трение воздуха против силы тяжести коррелирует как 1 к 100.

20км(5 процентов), дешевле преодолеть на топливе, чем держать космодром на дирижабле.

С другой стороны, если будет найдено новейшее топливо или способ набрать скорость, этот космодром как бы спасает от трения о воздух.

Сегодня - ненужно.

См.: Катушка , Космическая пушка .

И посмотрите на эту картинку:барьер

** трение воздуха и сила тяжести коррелируют как 1 против 100. ** есть ли какое-либо доказательство или ссылка на это?
Нет, это только предположение
1 против 100 может быть близким (хотя, может быть, от 1 до 20 лучше), если вы имеете в виду дельта v от сопротивления воздуха по сравнению с общей дельтой v для выхода на орбиту. Но это не гравитационное сопротивление, это импульс, необходимый для достижения орбитальной скорости. Ваш ответ можно считать совместимым с этим, но он не очень явный.
Что изображено на этой фотографии? Это напоминает мне фотографии самолетов, летящих со скоростью звука.
На фото видно образование конденсата в зонах низкого давления: давление упало ниже точки росы. Для этого самолету не нужно превышать скорость звука, в зависимости от погоды это явление видно на более низких скоростях.
«Эти две силы, направленные вниз и вперед, равны». На самом деле, для ISS они явно не равны, учитывая все обстоятельства. Вот почему им приходится регулярно повышать орбиту . Предоставленная своей судьбе, МКС довольно быстро снова войдет в верхние слои атмосферы из-за атмосферного сопротивления, снижающего поступательную скорость. (Википедия дает орбитальный спад 2 км/месяц.) Учитывая, что станция весит 450 000 кг, я рекомендую носить шлем.

Миссия команды ARCA, участвующей в Google Lunar Xprize, основана именно на этой идее: запустить ракету Helen 2 с гелиевого шара, поднятого на высоту 14 000 метров. Они произвели только один успешный пуск , и ракета достигла высоты 40 000 м. Я не знаю, будут ли они участвовать в гонке с той же идеей, но я упомянул в качестве примера, что это пробовали раньше.

эти ссылки к сожалению мертвы

Да, можно запускать ракеты с воздушного шара, как Рекон . Но есть много недостатков в запуске с воздушного шара

  • воздушными шарами очень трудно управлять, поэтому точность запуска практически невозможна.

  • воздушные шары, необходимые для подъема ракеты на большие высоты, должны иметь очень большую поверхность

{

Согласно этой ссылке

Гелий имеет подъемную силу 1 грамм на литр.

Таким образом, вам понадобится очень большой воздушный шар, чтобы поднять ракету (вам нужно 1000 литров гелия, чтобы поднять всего 1 кг груза).

}

  • практически невозможно запустить ракету над воздушным шаром (запуск прямо из-под земли)

  • Для орбитального корабля все дело в скорости, поэтому чем больше высота, на которую вы поднимаетесь, тем большее ускорение вам нужно для достижения требуемой орбитальной скорости.

  • запуск с земли обеспечивает начальную скорость, а в воздухе ее просто нет

Но все же запуск с воздушного шара (если возможно) может сэкономить ваши расходы на топливо (но не для орбитального корабля). запуск ракеты с полезной нагрузкой невозможен (так как много технических сложностей)

Разговоры на воздушном шаре заставили меня задуматься об альтернативе ракетам, которая, как предполагают углеродные нанотрубки, может быть доступна в ближайшем будущем. Космический лифт.

С практической точки зрения я полагал, что они никак не смогут напрямую запустить на орбиту буксирный трос длиной 66 000 миль, но если предположить, что мы найдем способ сплести вместе длинные отрезки нанотрубок в трос или ремень, и мы сможем летать. и переместить крупный околоземный астероид на геостационарную околоземную орбиту, не спровоцировав столкновения динозавров с небесным столкновением, мне кажется, что медленный устойчивый подъем привязного воздушного шара и экипажа в скафандрах участвуют в окончательном вязании троса. Я предполагаю, что кабель начнет сплетаться из астероида, геосинхронно расположенного где-то над островами Джарвис, Бейкер или Хауленд вдоль экватора посреди Тихого океана.

Я выбрал их, потому что они являются территориями США и необитаемы, и, похоже, они могут стать неплохими потенциальными космическими портами. Если бы его построило частное предприятие, я полагаю, они хотели бы, чтобы их воздушное пространство было защищено сильнейшими в мире вооруженными силами, чтобы избежать бедствий и ремонта. Отсюда и эти острова.

Вопрос в том, сгорит ли трос, опускаемый в атмосферу, когда гравитация притянет его к земле?

Я также предполагаю, что потребуется воздушный шар, потому что ракета будет двигаться слишком быстро, чтобы захватить падающий трос, и вам потребуется относительно устойчивая платформа, чтобы экипаж работал над вязанием последних частей вместе, аналогично соединению межконтинентальная железная дорога в штате Юта.

Джереми добро пожаловать в Space Exploration ! Хотя это интересно, на самом деле это не отвечает на вопрос, заданный и отображаемый вверху страницы. Суть его в том, можно ли использовать воздушный шар в качестве стартовой платформы для космических ракет? поэтому, если бы вы могли отредактировать свой ответ, чтобы также решить эти проблемы, это было бы здорово. Обратите внимание, что мы не дискуссионный форум, а форум вопросов и ответов. Подробнее читайте в нашем Справочном центре . Спасибо!
это не по теме

Это возможно, но мало поможет, если вы хотите выйти на орбиту. Это легко увидеть, учитывая энергетический бюджет . Удельная орбитальная энергия спутника, вращающегося вокруг Земли на средней высоте (точнее, большая полуось орбиты минус радиус Земли) ЧАС над поверхностью Земли находится

Е с а т знак равно − грамм М 2 ( р + ЧАС ) ≈ − грамм М 2 р + грамм ЧАС 2
с М а также р масса и радиус Земли соответственно, и грамм знак равно грамм М / р 2 по-прежнему. Удельная энергия, достигнутая баллоном на высоте час является
Е б а л знак равно − грамм М р + час ≈ − грамм М р + грамм час
(игнорируя небольшой эффект от вращения Земли, т.е. предполагая запуск на полюсе). Так, при пуске ракеты с высоты час , он все равно должен обеспечивать разницу
Δ Е знак равно Е с а т − Е б а л ≈ грамм М 2 р + грамм ( ЧАС / 2 − час ) .
Таким образом, основной вклад грамм М / 2 р не помогает увеличение час из час знак равно 0 (запуск на нулевой высоте).

Вы не принимаете во внимание огромное количество топлива, которое перевозится и сжигается за первые 20 км (т.е. более половины его начальной массы). Что, если бы вы могли пройти эти первые 20 км без необходимости?
Это топливо сжигается не только для того, чтобы набрать высоту, оно сжигается, чтобы набрать скорость. На 20 км вы смотрите на 500-1000 м/с.
Можно ли запустить ракету с воздушного шара?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v