Почему мы не используем катапульты, чтобы попасть в космос?

Я склоняюсь к варианту 2, что у вас «что-то ужасно неправильное в [вашем] мыслительном процессе» . Вот, по крайней мере, некоторые аргументы, почему; Я ни в коем случае не утверждаю, что это исчерпывающий список:

3 Маха (что довольно быстро для истребителя, ближе к верхнему пределу достижимого в настоящее время диапазона) соответствует примерно 1 км/с (Google называет это 1020,87 м/с), и изначально вам не нужно двигаться так быстро. , достаточно быстро для продолжительного полета, поэтому, вероятно, ближе к 0,5 Маха максимум , когда вы покидаете взлетно-посадочную полосу. Орбитальная скорость Земли около 7 км/с (для сравнения, окололунная — 11 км/с).

Вес самолета ничтожен по сравнению практически с любым космическим кораблем. Работа по ускорению растет в геометрической прогрессии с целевой скоростью и массой объекта — любой из этих факторов делает это серьезной проблемой.

Разгон убивает; намного выше 10G (это что, 100 м/с ^ 2?), и человек становится мокрым пятном на задней стене. Ускорение во время запуска и набора высоты космического корабля нетривиально, но им гораздо легче управлять, потому что его можно поддерживать на безопасном уровне при подъеме из худших глубин земной гравитации. Нет необходимости сразу же прыгать с орбитальной скоростью на стартовую площадку.

Что, если после катапультирования судна на значительной скорости не запустится главный двигатель? Если главный двигатель космического корабля текущей конструкции не загорается на стартовой площадке, это серьезное раздражение и, вероятно, основание для некоторых мрачных взглядов на ряд техников, но на самом деле ничего хуже этого. Если вы уже находитесь в воздухе и движетесь со значительной скоростью на полностью заправленном космическом корабле (имейте в виду, что ракетное топливо — очень неприятная штука ), а главный двигатель по какой-либо причине не включается по расписанию, то что делать? вы делаете? В зависимости от (баллистической) траектории полета и маневренности космического корабля даже зажигание с опозданием на несколько секунд может привести к очень серьезным проблемам на спуске.

Атмосфера плотнее всего ближе к земле, именно там, где с вашей схемой вы бы увидели очень высокую скорость ускорения. В более распространенных конструкциях ракет ускорение вблизи земли относительно тривиально, и они действительно начинают набирать скорость только на некотором расстоянии от земли. (Близко к земле вы больше озабочены тем, чтобы оторваться от земли, чем набрать скорость. Даже если вы медленно поднимаетесь первые 10 км, у вас все еще есть достаточно времени, чтобы набрать скорость, прежде чем вы достигнете орбитальных высот. )

Не то чтобы идея не была предложена. Жюль Верн сделал что-то очень близкое к тому, что вы предлагаете в 1865 году в De la terre à la lune , опередив вас примерно на 150 лет. Его серьезно рассмотрели в 1903 году и пришли к выводу, что он не будет работать даже с технологической точки зрения, хотя, возможно, с современными материалами он мог бы быть немного более практичным. Однако это еще не решает проблему ускорения, которая затрагивалась даже в художественных произведениях по крайней мере 1950-х гг.

Итог: поскольку он был предложен и нашел нежизнеспособную альтернативу, я бы посоветовал вам посчитать и рассказать нам, почему это сработает , решая проблемы, поднятые в этом, а также (в настоящее время единственный) другой ответ.

Масса палубного F-18: 40 000 кг. Масса ракеты Delta-II: 230 000 кг. Масса стека космического корабля "Шаттл": 2 000 000 кг.

Даже если мы сможем сжечь топливо, необходимое для его движения, у нас все равно должно быть достаточно, чтобы разогнать его до 7 км/с, а это большая часть топлива. Вам понадобится более прочная конструкция, чтобы справиться с силами катапульты (которая добавляет вес, что требует большей силы, которая требует более прочной конструкции…) и мощный большой трос, чтобы применить такую ​​большую силу. Я оставляю математику в качестве упражнения для читателя.

Ракеты могут просто применять плавную, постоянную тягу до тех пор, пока они не разойдутся достаточно быстро, а некоторые из более ранних ракет, таких как Centaur, имели герметичные корпуса - рама была толщиной всего около 1-2 мм и не могла удержаться без внутреннего давления. Никак не получается подключить его к лаунчеру.

И чтобы полностью обесценить вашу идею, это уже было сделано в художественной литературе. Часть II 2001: Космическая одиссея начинается с запуска космического самолета Pan-Am до того, как зажгутся ракеты. Артур Кларк опередил вас на 45 лет.

Вы, конечно, не первый, кто об этом подумал. Идея электромагнитной катапульты для разгона полезной нагрузки до орбитальных скоростей выдвигалась раньше... пара планов, которые приходят на ум, - это Launch Loop и StarTram.

http://en.wikipedia.org/wiki/Launch_loop

http://en.wikipedia.org/wiki/StarTram

Ключевой проблемой является размер всей сборки, который обычно измеряется сотнями или тысячами километров, при этом пусковой конец системы должен находиться на высоте многих тысяч метров.

Версия StarTram «Gen 1.5» кажется наиболее близкой к вашему предложению, поскольку она обеспечивает ускорение полезной нагрузки только 4 км/с, а остальное обеспечивается бортовыми двигательными установками. Пиковое ускорение для более короткой версии системы (50-80 км) может составлять менее 15 g, и поэтому потенциально выживаемо для здоровых людей (хотя и не особенно приятно).

Я попробую немного оценить Ферми.

Ограничение по массе

Как и в случае с ракетами, для тросов существует экспоненциальное уравнение. Статья в Википедии об этом на самом деле довольно солидна с точки зрения технических деталей. Достаточно легко мы можем добавить некоторую скорость в точке выпуска и использовать характеристическую скорость материала для волокна M5. Насколько я могу судить, это самый оптимистичный из практически доступных материалов. Тогда отношение массы троса к массе ракеты будет равно:

В духе оценки Ферми представим Falcon 9 с массой стартовой площадки 500 000 кг, который выводит на орбиту 10 000 кг. Если мы используем технический коэффициент 3, то мы можем легко вычислить скорость, при которой вспомогательная катапульта будет весить столько же, сколько ракета на стартовой площадке. Это где-то 3 км/с.

Важно не заходить намного дальше этого ограничения по массе. Ни одна компания не делает больше нескольких запусков в год. Если по массе трос стоит того же порядка, что и ракета, то соотношение масс — это количество запусков, которое вам потребуется, чтобы амортизировать стоимость. Если материал троса составляет 10% от стоимости всей системы помощи при запуске, и вам нужно расплатиться с инвесторами в течение одного года, то мы явно соглашаемся на (масса ракеты) = (масса троса). Не имеет большого значения, если вы измените свою толерантность к финансовому риску здесь, потому что уравнение масс безумно экспоненциально.

Излишне говорить, что это все еще может работать. Если бы ракета уменьшила свой запас Delta V на 3 км/с, то она могла бы практически удвоить или утроить свою полезную нагрузку, доставленную на орбиту. У вас может возникнуть соблазн подумать, что это имеет смысл. На самом деле, в космосе это имеет смысл. Проблема в том, что мы все еще на Земле.

Ограничение длины

Как ни странно, приведенное выше уравнение отношения масс ничего не говорит о длине троса . Он может быть длинным, а может быть коротким. Если краевая скорость одинакова, она не меняет общую массу троса. Если вы едете быстрее, центростремительное ускорение выше, поэтому трос должен быть толще - и это идеально уравновешивает эффект более короткого троса.

Таким образом, перегрузки на самом деле ограничивают длину троса, и они ограничены биологией. Допустим, наш лимит 3g. Уравнение просто$3g=\frac{v^2}{r}$. Если вы подставите 3 км/с, вы получите радиус троса 300 км. О боже. Этого не будет.

Наиболее радикальная версия системы помощи при запуске троса состоит либо из высотных аэростатов, либо из самолетов. Они ограничены по высоте из-за плотности атмосферы, обычно до 10 км в случае больших джетов. Сочетая ограничение в 3 г и 10 км, вы обнаружите, что система помощи при запуске может помочь только на скорости 0,5 км/с. Таким образом, с помощью этой системы вы можете улучшить массовую долю ракеты только примерно на 20%, но только за счет уменьшения стартовой массы из-за требования, чтобы реактивный самолет или воздушный шар могли ее поднять. Скорее всего, это больше вредит, чем помогает!

Способы обойти ограничение длины?

Ваша идея заключалась в том, чтобы уменьшить количество топлива, необходимого ракете. Из моих расчетов видно, что ограничением является не объемная масса троса. Проблема в том, что необходимая длина настолько высока, что вам некуда ее прикрепить. Но ваша идея прикрепить это:

Представьте себе такое же устройство, прикрепленное к космической ракете горизонтально.

Похоже, трос соединяет ракету с якорем (я полагаю, движущимся якорем) на земле. Но проблема в том, что здесь ракета должна тянуть за собой трос. Это увеличивает количество топлива, необходимого ракете, что уже нарушает вашу цель.

Собственно, поэтому любые серьезные предложения в этом семействе подразумевают запуск не людей и не обычных ракет, а бронированных грузовых полезных грузов. Увеличивая ускорение, вы можете удерживать структуру в пределах примерно километра. Но такую ​​мегаструктуру сложно продать, если она лишь незначительно увеличит полезную нагрузку.

В качестве альтернативы вы можете попробовать схему «прикрепить» его к чему-то, не связанному земными ограничениями. Например, что-то уже на орбите. Это подход различных частичных космических лифтов. Они могут разумно иметь радиус > 300 км, но затем ограничение по массе снова появляется, поскольку вы должны сначала вывести его на орбиту.

Как уже говорили другие, масштаб как строительства, так и задействованных сил ставит этот проект в разряд невозможных. Однако это не означает, что идея не рассматривалась в ином виде.

Хотя это и не совсем катапульта, была несколько похожая идея, связанная с тем, что в основном представляет собой ускоритель частиц для космического груза, который может выдерживать давление. Представьте себе Большой адронный коллайдер ЦЕРН, но встроенный в гору с выходным портом, нацеленным на стабильную точку входа на орбиту. Теория состоит в том, что вы разгоняете корабль на первом этаже, а затем запускаете его на орбиту оттуда. В то время как перегрузки непригодны для чего-либо живого, должным образом защищенное оборудование, способное противостоять как перегрузкам, так и задействованным магнитным силам, может быть доставлено в космическое пространство по смехотворно низкой цене по сравнению с традиционными методами запуска с помощью ракеты (на порядка 10 000 раз ниже для самого запуска).

источники:

• Статья в Википедии о массовых драйверах: http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_driver
• Статья в Википедии о Space Gun: http://en.wikipedia.org/wiki/Space_gun
• Статья о New Scientist: http://www.newscientist.com/article/dn10180-huge-launch-ring-to-fling-satellites-into-orbit.html

Также см. различные источники в статьях Википедии.

Хотя ответы верны, давайте посмотрим на это гораздо проще: ничто в катапульте не уменьшает ускорение, которое испытывает подбрасываемый корабль. Наблюдайте за запуском ракеты — несколько g на сотни миль, когда она улетает в космос. Если вы хотите сохранить ускорение на том же уровне, вам потребуется столько же места — ваша катапульта должна быть длиной в сотни миль.

Рассмотреть возможность:

По мере того, как ракеты потребляют свое топливо, они становятся легче, поэтому создаваемая ими тяга применяется к постепенно уменьшающейся массе. В результате увеличивается ускорение и, следовательно, перегрузка автомобиля.

Два примера: «Аполлон-Сатурн» и «Спейс шаттл» ограничили свое ускорение, отключив или дросселируя двигатели, чтобы не превышать примерно 3g. Это нужно как для экипажа, так и потому, что конструкции больше этого не выдерживают. Причина в весе.

Все элементы ракеты должны быть максимально легкими, чтобы свести к минимуму расход топлива, необходимый для ее запуска в космос. Это ограничивает, насколько сильными могут быть вещи. Ракетные конструкции делаются настолько прочными, насколько это необходимо, поэтому они настолько легкие, насколько это возможно.

Теперь, если вы хотите катапультировать вещь со стартовой площадки, вам нужно сделать ее сильнее, чтобы выдержать все эти дополнительные перегрузки (необходимые только на время действия катапульты), и поэтому все становится тяжелее, и поэтому вам нужно нести больше топлива. чтобы выполнить работу после того, как вы прошли конец хода катапульты.

Мы не используем катапульты, потому что не хотим уничтожить полезную нагрузку до выхода на орбиту. Необходимое огромное ускорение уничтожило бы каждую полезную нагрузку точно так же, как запуск ракеты. Если бы очень прочная полезная нагрузка выдержала катапульту, она была бы уничтожена огромной тепловой нагрузкой орбитальной скорости в плотных нижних слоях атмосферы.
Возврат возможен, потому что орбитальная скорость только в очень тонких верхних слоях атмосферы.

Я согласен с Павлом, а также думаю, что это, вероятно, концепция, на которую стоит обратить внимание: катапульта должна быть спроектирована как фаза предварительного сжигания ракеты. В смысле, мы могли бы использовать катапульту, чтобы запустить ракету, Капис? Таким образом, мы можем сконструировать катапульту, чтобы она разгонялась до максимальной скорости, которую может выдержать человеческое тело (скажем, 5 г), чтобы она достигла значительной скорости (скажем, 600 км/ч), намного ниже предела, при котором все сгорает в огне. нижняя атмосфера.

В этом дальновидном мысленном эксперименте мы могли бы получить зажигание ракеты, когда ракета имеет начальную скорость 600 км/ч. Ракета будет продолжать ускоряться с ускорением 5 g после того, как линия катапульты закончится; используя его ракеты (как и сейчас). Приятно то, что горящая ракета начнет свой полет со скоростью 600 км/ч вместо 0 км/ч. Я предполагаю, что основное влияние будет на необходимое количество начального топлива (кто-нибудь может оценить это, пожалуйста?). Вы можете отказаться от всего топлива, необходимого для достижения скорости 600 км / ч, при запуске без катапульты. Весь корабль стал бы легче!

Учитывая, что наша катапульта работает при ускорении = 5g = 5x10 м^2/с. Переход от V_0 = ноль к V = 600 км/ч требует 3,3 секунды. Округлим до 3,5 с. Затем, в качестве следующего шага, мы можем подумать: «Какая большая должна быть линия катапульты, чтобы разрешить запуск этой ракеты?» И ответ совсем не плохой.

Ускорение при a=5g от X_0 = 0 и V_0 = 0

Х = Х_0 + В_0 . т + (а. т ^ 2)/2 ; используя t = 3,5 с

Х=300метров

…

Скажем, нам нужно что-то побольше, так как сама ракета может быть высотой 100 м… Речь идет о 500-метровой каменной катапульте, устремленной в небо. не думайте, что это звучит безумно, чтобы строить. Я не знаю, сколько будет стоить такая катапульта. Но мы должны принять во внимание, что ракета будет намного легче, просто потому, что нам нужно гораздо меньше топлива, чтобы достичь верхних слоев атмосферы.

Многие горы могут соответствовать требованиям для создания этой мысленной катапульты… (кто-то может провести дополнительные расчеты, учитывая запуск типа Эвереста… будьте осторожны, чтобы скорость была ниже, чем при горении в низкой атмосфере!)

О некоторых недостатках, упомянутых в предыдущих комментариях...

Ребята, халат, чтобы выдержать 5 г и катапультировать легкую ракету, не проблема (не так ли?)... Я имею в виду, даже если халат, чтобы "делать работу" - это самая большая проблема, которую вы можете себе представить, я думаю, что это может быть спроектированы для работы.... например, мы могли бы поискать в настоящее время робы-спецификации для катапультирования foo-fighters

Насчет "проблемы" отказа ракетного двигателя при катапультировании ... ребята, давайте... Если ракетный двигатель взорвется, это будет трагическая проблема как с земли, так и с катапульты. Если ракета не сгорит во время катапультирования, я согласен, остановить ракету будет сложно. Вероятно, мы можем потерять ракету. Но у нас уже есть технология для катапультирования экипажа (или любой ценной полезной нагрузки) (см. тесты Abort Pad от NASA или SpaceX)
. .

Кроме того, о дополнительных конструкциях, необходимых для катапультирования... Знаете... может быть, нам не нужно было бы далеко ходить, чтобы решить эту проблему. Нынешние пусковые уже выдерживают ускорение >5g... Так что в этом плане нынешние ракеты в порядке. Кроме того, давайте подумаем... Куда бы нам прикрепить халат? Что ж, мы можем просто применить силу в той же механической структуре, которая поддерживает тягу горящего ракетного двигателя. Я имею в виду ... горящие в настоящее время двигатели уже прикладывают силу, достаточную для ускорения> 5g. Таким образом, мы можем применить силу мантии в том же самом месте.

Любая дополнительная конструкция, необходимая для этого, может отсоединяться от ракеты со стороны катапульты; из-за этого не нужно брать на себя большую дополнительную нагрузку.

Мы могли бы создать специальный форум только для того, чтобы взглянуть на эту тему с высоты птичьего полета, с более реалистичной точки зрения... в поисках материалов и спецификаций.

Увидимся!

Вы когда-нибудь видели деревенщин из ракетного города? Эти бывшие ученые-ракетчики (отец и сын) из Хантсвилла, штат Алабама (а также бывшие и нынешние сотрудники НАСА) придумали эту идею и заставили ее работать в небольшом масштабе, подняв ее на ступеньку выше, прикрепив катапульту к метеозонду. Они запускали ракету из катапульты, подвешенной к воздушному шару. Это сработало.