Почему не все ракеты со спутниками запускаются с самолетов?

Воздушный запуск ракеты-носителя спутников имеет несколько существенных преимуществ :

  • экономия топлива / топлива, поскольку горизонтальный взлет более энергоэффективен
  • полностью мобильная платформа, позволяющая проводить запуск в любом месте
  • меньше зависит от погоды, что позволяет использовать его практически в любое время

Каковы причины, препятствующие запуску всех таких ракет с воздуха?

Ничто не объясняет это заблуждение лучше, чем этот XKCD What-if what-if.xkcd.com/58 Yay Space.... Dang
QO, очень простой ответ: «Ракеты слишком тяжелы для этого». Во-вторых, скорость самолета ничто по сравнению с той скоростью, которая нужна ракетам. Кроме того, стоит отметить, что страница «вики» в основном дерьмо :) («Вики» — отличная вещь, и вики также хороши для списков покупок и т. д., но стоит помнить, что страницы «вики» довольно часто являются ерундой. )
@MikeyMouse Это правда, что достижение орбитальной скорости - самое большое препятствие. Но 1,5 км/с, необходимые для того, чтобы подняться над атмосферой, не тривиальны. Энергия, необходимая для подъема, часто просто изображается как разница в потенциальной энергии. Это неправильно, так как потеря силы тяжести является крупным расходом.
Ответ @MikeyMouse Манро Брайану сомнителен. Если бы единственным источником топлива была земля, аргумент Рэндалла был бы верен — бюджет дельты V в 16 км/с действительно непрактичен. Но кроме земли есть и другие возможные источники топлива.

Ответы (5)

Этот пост освещает некоторые заблуждения, так что давайте сделаем это большими буквами.

Запуск — это движение быстро, а не высоко

Воздушный шар с гелием доставит вас на край космоса . Чтобы выйти на орбиту, нужна большая и дорогая ракета. Хорошо, один хотя бы 20 м длиной .

Очень очень быстро

«Но самолет может разогнать вас до 600 миль в час», — скажете вы. Ну и славно, имеем 268 м/с из необходимых 7 км/с. Осталось всего 6700 м/с.

На самом деле, я имею в виду достижение высокого КЭ.

1 кг при скорости 268 м/с имеет 0,5 * 1 * 268 2 знак равно 36 кДж кэ. Это оставляет 0,5 * 1 * ( 7 , 000 − 268 ) 2 знак равно 22,7 MJ идти; весь этот самолетный материал обеспечивает около 7,5% необходимой передачи энергии. [Отредактировано с относительными числами, спасибо @NPSF3000]

Как насчет ядерного взрыва в бочке-то?

Сейчас ты разговариваешь. Как ядерная поп-пушка, раздувающая стальной диск со скоростью до 70 000 м/с . Как бы. В Википедии есть целая статья о космическом оружии .

Сэкономьте немного денег, используйте ракету, которая лежит у вас дома.

Путь к действительно дешевым запускам состоит в том, чтобы использовать один из тех запасных огромных орбитальных аппаратов, которые лежат у вас дома . Особенно очень большие .

Хороший ответ, люблю математику!
Вот и все — добраться до космоса легко, поднимитесь выше. Чтобы добраться до космоса и остаться там (то есть на орбите), требуется скорость. Запуск с высоты лишь немного поможет выйти на орбиту, но если все, что вы хотите сделать, это ненадолго посетить, то, конечно, самолет или воздушный шар дадут вам толчок.
Может быть, это терминология, которая подводит людей. Мы говорим о выходе на орбиту, как будто это место, а люди предполагают, что это место наверху. «Разгон до орбитальной скорости» менее лаконичен, но, возможно, менее запутан.
Если воздушный шар с гелием доставит вас к краю космоса, какую экономию мы получим, если запустим туда ракету? Нам все равно нужно было бы полностью разогнаться, но на нашем пути не было бы надоедливого сопротивления воздуха. Или атмосфера на самом деле достаточно разрежена, чтобы это не было проблемой?
Кратко, занимательно и информативно.
@Baldrickk, согласно грубому эмпирическому правилу, 10% энергии тратится на подъем через атмосферу и 90% на движение вбок. Если бы вы могли запускать с края космоса, вам понадобились бы эти 10% экономии, чтобы перевесить дополнительную сложность, затраты и риски, связанные с доставкой туда ракеты-носителя.
Хороший ответ. Было бы яснее, если бы вы могли добавить сравнение потенциальной энергии, необходимой для достижения высоты орбиты.
Поправьте меня, если я ошибаюсь, но разве 300 м/с, полученные от самолета, не означают, что ракета должна разогнаться только до 6700 м/с вместо 7000 м/с? Это, благодаря sqr, означает, что примерно 8,5%* энергии, необходимой для питания ракеты, сохраняется, что, в свою очередь, означает, что ракета может быть легче и экономить больше? *(1- (0,5∗6700^2) /(0,5∗7000^2))
@NPSF3000: Это хороший момент. Первоначально я не беспокоился, потому что это была такая малая часть KE, но еще раз подумав, что KE относительна, поэтому важна относительная скорость. 7,5% — это больше, чем я ожидал для экономии, хотя требования, чтобы получить ракету-носитель, прикрепленную к A380 и разогнанную до 600 миль в час, не маленькие. Я также переоценил необходимый размер ракеты; 20 м — это не так уж и много по сравнению с A380! Значительной экономией могут быть проблемы с погодой; воздушный катер мог подняться выше облаков.
@Phil H, честно говоря, я больше думал об этом только после того, как взглянул на stratolaunch.com на основе ответа перицинтиона. Хотя они, возможно, никогда не оторвутся от земли (хе-хе-хе), им нужно что-то предложить своим взглядам. Ракеты меньшего размера (ближе к космосу, требуется меньше топлива), возможность выбора места запуска, проблемы с погодой и т. д. делают его интересным. Концепция многоразовой летающей первой ступени SpaceX может рассматриваться как похожая концепция — вероятно, намного дешевле после завершения НИОКР. Спекуляция
@Baldrickk: К сожалению, сопротивление воздуха не является существенным фактором. Наибольшая плотность воздуха достигается, когда ракета движется медленнее всего, а когда она достигает высоких скоростей, плотность воздуха составляет ~ 0 — по крайней мере, вы можете сделать это таким образом, имея кривую траекторию от вертикали к горизонтали. Однако вертикальная часть не пуста; это все еще ускорение и часть достижения орбитальной скорости. Сопротивление воздуха важно для входа в атмосферу, потому что корабль движется быстро и вся КЭ расходуется на нагрев воздуха. Однако не стесняйтесь вычислять площадь под графиком перетаскивания/времени.
Я проголосовал за этот ответ. Если бы Земля была безвоздушным миром и возможен горизонтальный запуск, то для выхода на круговую орбиту высотой 400 км потребовалось бы 8,02 км/с. Но это больше похоже на 9,5 км/с. Большая часть разницы ~ 1,5 км / с связана с потерей гравитации. Это 2,25 мегаджоуля на килограмм. Воздушный запуск не полностью устраняет потерю гравитации, но описывать экономию в 36 кДж просто глупо. Перицинтион дает хороший ответ.
@NPSF3000 Я думаю, что последние 300 м/с будут составлять 8,5% требуемой энергии, но самолет поможет только с первыми 300 м/с, а не с последними 300 м/с — первые 300 м/с самые легкие , тогда как последние 300 м/с будет труднее всего достичь
@user2813274 user2813274 Перейди к физике. Мой аргумент в том, что у ракеты меньше скорость для ускорения... но я никогда не понимал sqr в KE.
«Ядерная поп-пушка, раздувающая стальной диск со скоростью до 70 000 м/с». ссылка гнилая.

Вот несколько недостатков запуска с воздуха:

  • Большинство ракет-носителей слишком тяжелы, чтобы их можно было нести на любом существующем самолете, например, Atlas V 401 весит 335 тонн, по сравнению с максимальной нагрузкой Airbus A380 в 89 тонн.

  • Для ракет-носителей с криогенным топливом загрузка и дозаправка будут чрезвычайно сложными.

  • Как правило, персоналу небезопасно находиться ближе, чем в паре миль от места запуска ракеты; это было бы проблемой для экипажа самолета.

Тем не менее, этот принцип не является невозможным для небольших транспортных средств, как продемонстрировали Orbital Sciences Pegasus и предложенный Stratolaunch .

а нельзя ли сказать, что значительную часть массы наземной пусковой установки составляет топливо для отрыва от земли, отсюда и многоступенчатые ракеты, отделяемые ускорители и т.д.?
@ Anentropic нет, почти вся масса наземной пусковой установки предназначена для получения необходимой орбитальной скорости, и отрыв от земли происходит как побочный продукт этого. Если бы у вас каким-то образом была стартовая площадка высотой 40 000 футов, вы бы получили некоторую экономию за счет простоты, описанной выше, но вам все равно потребовалась бы многоступенчатая ракета почти такого же размера, чтобы вывести ее на орбиту.
@Anentropic Как говорится, «добраться до космоса легко, остаться в космосе сложно». Чтобы оставаться на орбите, нужно разогнаться примерно до 8 км/с . Это действительно очень быстро, и кажется, что добраться туда легко
Я полагаю, хотя не смог найти цитату при быстром поиске, что, несмотря на всю бумажную экономию средств, стоимость за кг вывода Пегаса на орбиту была значительно выше, чем посадка в качестве вторичной полезной нагрузки на более крупных конкурирующих платформах, в результате чего Сторонние запуски OSC были почти полностью ограничены спутниками на нетрадиционных орбитах, до которых нельзя было добраться из стандартного профиля запуска.
Еще одна авиационная ракета, о которой, кажется, все забыли, — это ASM-135, которая запускалась с летящего прямо вверх истребителя F-15. Хотя, согласно Википедии, его максимальная скорость составляла «> 24 000 км/ч» (6,6 км/с), так что он не мог выйти на орбиту. Опять же, это, вероятно, засекречено.
Ан-225 может нести 253 т; все еще короткий, но, по крайней мере, это значительная часть веса.

Воздушный запуск на самом деле не дает такой большой выгоды.

Преимущества в основном заключаются в том, что, начиная с 40 или 50 000 футов, можно следующее:

  • Сопло может быть ближе к вакууму, оптимизированному на первой ступени, и это хорошо.
  • Пусковая установка может лететь к экватору, для запуска с наклоном 0 градусов, что полезно.

Но, как уже отмечалось, ограничения по массе ракеты-носителя огромны, а ракеты намного больше, чем может поднять любой существующий самолет. Посмотрите на размер предполагаемого самолета Stratolaunch. Это будет буквально самый большой самолет из существующих, и из-за ограничений по массе он сможет поднимать только ракету-носитель меньшего размера, чем Falcon 9.

Реальность такова, что при запуске с земли ракета поднимается на высоту 50 000 футов в течение первой или двух минут. Проблема с космическим полетом не в том, чтобы подняться достаточно высоко, а в том, что он движется достаточно быстро, чтобы выйти на орбиту. Таким образом, ракеты обычно летят в основном прямо вверх, чтобы выйти из «оптимального» количества атмосферы, прежде чем развернуться и выйти на орбитальную траекторию.

Таким образом, запуск с воздуха кажется хорошей идеей, но его ограничения и незначительные преимущества, как правило, не окупаются.

Пегас использовал довольно мощный самолет-носитель (L-1011), но имел лишь незначительную полезную нагрузку. Stratolauncher будет использовать огромный самолет-носитель, возможно, настолько большой, насколько он может быть, и по-прежнему будет иметь довольно небольшую полезную нагрузку.

Как отмечено на странице Википедии о запуске на орбиту с воздуха, в этой статье есть несколько вопросов .

Одна из проблем заключается в том, что он сравнивает транспортное средство, запущенное с самолета, с аналогичным транспортным средством, запущенным вертикально с земли. Это не очень хорошее сравнение. Лучшим сравнением было бы посмотреть на самолет, несущий ракету, вместо первой ступени. В этом сравнении воздушный запуск сильно отстает. Приличная первая ступень подведет ракету близко к верхней части разумной атмосферы и обеспечит разумную долю общего дельты V. Хорошей целью является высота от 50 до 80 километров и скорость от 2 до 3 км/сек. Большинство предложений по запуску с воздуха связаны с большим дозвуковым самолетом, который может достигать вершины тропосферы, или высоты от 9 до 15 километров, и скорости от 200 до 300 метров в секунду. Воздушный запуск делает первую ступень очень паршивой.

Другой вопрос — ограничения, которые накладывает на ракету воздушный старт. Для наземных запусков различные виды экономии за счет масштаба и закон куба-квадрата в целом означают, что чем больше, тем лучше. Стоимость килограмма полезной нагрузки на орбиту снижается по мере увеличения размера ракеты-носителя. Существует точка, в которой начинают проявляться потери от масштаба и нелинейности (например, pogo), а это означает, что есть некоторая точка, после которой больше не значит лучше, но эта точка находится далеко за пределами возможностей любой запланированной или предполагаемой системы воздушного запуска. .

Air Launch имеет свои ограничения, перечисленные в предыдущих ответах, но также имеет ряд преимуществ. Прирост дельта V не является самым важным. Более важным может быть иммунитет к запуску с воздуха к умеренным проблемам, связанным с погодой. Вы знаете, как часто космические запуски задерживаются из-за того, что сдерживают «сдвиговые ветры». Другим, может быть, наиболее важным преимуществом является то, что запуск с воздуха менее проблематичен с точки зрения безопасности на дальности.

Идея просто подвесить большую жидкостную ракету под сверхтяжелым самолетом натолкнулась на неожиданные трудности. Это сорвало совместный проект Stratolaunch и SpaceX в конце 2012 года.

Ракеты вертикального запуска доминируют на рынке и по историческим причинам. Современные ракеты-носители являются прямым потомком межконтинентальных баллистических ракет, т.е. Atlas, Titan 2 и R7. Некоторые списанные ракеты используются для запуска спутников (Satan, MX).

Эволюция космических транспортных систем замедлялась по нескольким причинам:

Еще одним преимуществом является то, что вы можете запускать практически из любого места, которое лучше всего подходит для вашей полезной нагрузки. Самолет-носитель может долететь до экватора, если это важно.
Почему не все ракеты со спутниками запускаются с самолетов?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v