Одна из причин, по которой большие ракеты запускаются прямо вверх, носит структурный характер. Цилиндры прочны при сжатии, размещение цилиндров друг над другом означает, что вес симметричен, вам нужен меньший вес конструкции, чтобы удержать все это. Запустите его прямо вверх и плавно меняйте направление, и силы будут равномерно распределены по конструкции на всем пути вверх. Переверните все это на бок, и внезапно вам понадобится гораздо больше конструкции для поддержки веса, добавьте крылья и вам понадобится еще больше конструкции для распределения аэродинамической нагрузки.

Другое дело, что сопротивление воздуха - враг. Запуск боком означал бы, что ракете придется дольше преодолевать сопротивление воздуха. На безвоздушной планете боковой запуск может иметь больше смысла, с атмосферой наиболее эффективный маршрут выхода на орбиту означает подняться достаточно высоко, чтобы преодолеть большую часть атмосферы, прежде чем опрокинуться и разогнаться до орбитальной скорости.

Речь идет об оптимальной траектории - манёвр по тангажу/гравитационный разворот , который зависит от характеристик ракеты, атмосферы, гравитации и т.д. В частности, для ракет с меньшей начальной тяговооруженностью траектория начинается почти вертикально; «округление» угла до идеально вертикального упрощает инфраструктуру стартовой площадки и процесс подготовки; "неэффективность" настолько ничтожна, что любая экономия здесь будет полностью поглощена затратами на усложнение инфраструктуры для диагонального запуска.

А ракеты с очень высоким начальным TWR? Ну а те, что есть, типа СС-520-4, запускают по диагонали или в других "интересных" конфигурациях. Но они исключительно редки по простым экономическим причинам. «Топливо дешевое, двигатели дорогие» — старая поговорка ракетостроителей. Более рентабельно добавить больше топлива, увеличив начальную массу, чем пытаться уменьшить гравитационные потери, сокращая время выхода на орбиту, используя больше и более мощные двигатели. Таким образом, почти все распространенные пусковые установки имеют низкое начальное TWR и, как следствие, вертикальное положение пуска.

Что касается крыльев - крылья имеют смысл до Маха 2-3, может быть, после этого они только добавляют вес и сопротивление. И ракета должна достичь скорости 21 Маха. Какие бы первоначальные сбережения вы ни получили от крылатого полета на раннем этапе, они скоро превратятся в огромные потери.

Атмосфера экспоненциально разрежается по мере подъема. Это означает, что часть атмосферы вблизи земли существенно более плотная, чем выше. Другими словами, сопротивление воздуха намного выше, когда вы находитесь близко к земле.

Для того, чтобы свести к минимуму потери топлива на борьбу с сопротивлением воздуха, вам необходимо свести к минимуму количество времени, которое вы проводите в самой плотной части атмосферы. Любой начальный угол наклона$\theta$увеличивает количество времени, которое вы проводите в нижних слоях атмосферы, примерно в$\frac{1}{\cos\theta}$, просто из соображений геометрии. Как и следовало ожидать, быстрее всего покинуть нижние слои атмосферы можно прямо вверх.

Помимо хороших ответов, которые вы уже получили, обратите внимание, что для запуска ракеты по диагонали вам необходимо вертикальное ускорение более 1g. У Saturn V начальное ускорение едва превышало 1g. Если поставить ракету под углом 45 градусов, теперь вам потребуется 1,41 г, чтобы не упасть на землю.

Есть также огромные инженерные проблемы. Когда вы ставите большую ракету вертикально, она должна выдерживать собственный вес, и вы освобождаете ее, как только она начинает подниматься. Если ваша ракета находится под углом, вам нужно иметь дело с выдерживанием веса ракеты сбоку (сравните прочность боковой стороны пивной банки по сравнению с силой верхней части к нижней части, и помните, что ракета, по сути, представляет собой стопку баков). топлива каждый с двигателями внизу), плюс ракета должна будет соскользнуть со своих опор, пока она не наберет достаточную скорость. И, напомню, что-то вроде Сатурна V весит на старте три тысячи тонн .

Экономика топлива

Когда вы говорите о ресурсах, я предполагаю, что вы в основном сосредоточены на расходах на топливо, и именно здесь вы, вероятно, сэкономите деньги, воспользовавшись преимуществами горизонтального взлета, подобного самолету. Оказывается, у самолетов и ракет очень разные экономические затраты на эксплуатацию. Давайте поставим на нем несколько цифр. Для простоты мы рассмотрим SpaceX Falcon 9 и Boeing 777 (в частности, 777-200, который используется для таких маршрутов, как Нью-Йорк-Лондон).

Боинг 777-200 стоит около 300 миллионов долларов и имеет срок службы около 40 000 циклов. По грубой оценке это означает, что амортизированная стоимость рейса из Нью-Йорка в Лондон составит порядка 7500 долларов . Затраты на топливо на тот же рейс составят около 30 000 долларов . При быстром поиске в Google кажется, что общая почасовая стоимость составит примерно 30 000 долларов за час полета, поэтому общая стоимость полета будет к северу от 100 000 долларов . Тем не менее, нетрудно заметить, что стоимость самого самолета составляет малую часть от общей стоимости полета.

С другой стороны, Falcon 9 стоит около 60 миллионов долларов (точные цифры недоступны, но по большинству оценок они находятся в этом диапазоне). Прямо сейчас рекорд повторного использования составляет 5 раз, но давайте будем немного щедры и скажем, что его можно использовать 10 раз без ремонта. Это дает нам стоимость одного полета в размере 6 000 000 долларов . По данным SpaceX, стоимость топлива для полета составляет $200 000. Мы можем быстро увидеть, что стоимость транспортного средства составляет очень значительную стоимость одного рейса. SpaceX оценивает стоимость в 0,4%, так что наша оценка в 0,033 кажется приблизительной. Даже если бы мы были чрезвычайно щедры и решили, что он может летать 100 раз, это все равно означает, что стоимость транспортного средства за рейс значительно превышает стоимость топлива за рейс, что полностью противоречит тому, как работают авиакомпании.

Заключение

Итак, что вы получите с горизонтальным взлетом в стиле самолета? Возможно, вы сможете немного уменьшить этот счет за топливо, давайте снова будем щедры и скажем, что вы сэкономите 100 000 долларов за рейс. Что бы вы потеряли? Как показывают другие ответы и комментарии: совсем немного. У вас будет огромное количество инженерных проблем, которые вам нужно решить (что означает увеличение затрат на разработку), но, что более важно, вы вводите гораздо больше мест, где что-то может пойти не так. Мало того, что он по-прежнему должен работать как ракета в верхних слоях атмосферы, он должен работать как самолет в нижних слоях атмосферы. Также потребуется безукоризненный переход между этими профилями полета.

TLDR: Это не работает, потому что в лучшем случае вы немного экономите на расходах на топливо, но добавляете огромные инженерные сложности и проблемы с надежностью.

Примечание. Используемые цифры являются приблизительными оценками, полученными на основе быстрого поиска, но я считаю, что они иллюстрируют экономический аспект проблемы. Некоторые источники включают:

Какова разбивка стоимости запуска Falcon 9? https://aviation.stackexchange.com/questions/654/whats-the-typed-cost-and-its-breakdown-for-a-long-haul-commercial-flight https://en.wikipedia.org/wiki /Boeing_777 https://aviation.stackexchange.com/questions/2263/what-is-the-lifespan-of-commercial-airframes-in-general https://www.spacex.com/reusability-key-making-human -жизнь-многопланетарная https://thepointsguy.com/guide/cost-of-fueling-an-airliner/