Сможете ли вы доставить Cessna с МКС на Землю?

Общий вес шаттла составлял 172 000 фунтов (78 000 кг) , и единственный возможный способ снизить относительную скорость МКС на 27 724 километра (17 227 миль) в час - это аэродинамическое торможение . Cessna 172 с четырьмя пассажирами имеет вес пустого менее 2500 фунтов (1136 кг).

Хотя на самом деле использование Cessna в качестве возвращаемого аппарата было бы непрактичным, изображение позволяет изучить концепцию облегченного возвращаемого аппарата (в отличие от «Насколько возможны «космические прыжки»? ). Если предположить, что мы заменим газовый двигатель Cessna и заменим массу топливом, а затем привяжем несколько ракет ( явное упрощение ) к самолету, чтобы уменьшить орбитальную скорость, мы получим хороший планер с 2% массы и вдвое или более больше способности скольжения.

Если ваш пилот и пассажиры находятся в скафандрах для полета, вам не нужно добавлять массу для поддержания давления в транспортном средстве.

Так может ли облегченный крылатый возвращаемый аппарат использовать ракеты для замедления и обеспечения повторного входа в атмосферу без проблем с сопротивлением/нагревом? Будут ли требования к топливу для безопасного торможения перевешивать преимущества создания транспортного средства, которому не нужно выдерживать высокоскоростное аэродинамическое торможение?

Изменить. Этот ответ на этот вопрос сводится к тому, что более экономично; Дополнительная масса для защиты от аэродинамического торможения или масса топлива для замедления. Был комментарий по этому поводу, но он был удален.

Только если у вас есть какие-то сумасшедшие термоядерные ракеты, и в этом случае это предложение кажется все более дерзким.

Ответы (3)

Мы можем использовать ракетное уравнение , чтобы получить оценку количества топлива, необходимого для замедления с орбитальной скорости до чего-то, что позволяет Cessna выжить.
Орбитальная скорость 7890 м/с. Нам также необходимо рассеять потенциальную энергию, запасенную в виде высоты: если мы запустим ракету на орбитальной высоте до тех пор, пока скорость Cessna не станет равной нулю, она начнет снижаться в свободном падении и снова набирать скорость . Вот скорость , полученная при падении:
( 2 * грамм * час )
Начиная с 200 км и пренебрегая атмосферными воздействиями, получаю 1980 м/с. Если ракета должна тормозить и на этой скорости, то общая Δ В составляет 9870 м/с. Давайте возьмем Isp 300 секунд (например, ракетный двигатель SpaceX Merlin) и пустую массу 1200 кг. Решая уравнение ракеты, мы получаем начальную массу:
М 0 знак равно М 1 * е 9870 300 * 9,81
Таким образом, мы получаем начальную массу 34,3 тонны.

Нам нужно будет разработать профиль полета, в котором мы сохраняем часть ракетного топлива до тех пор, пока Cessna не столкнется с атмосферой, чтобы мы могли предотвратить превышение скорости и перегрев во время спуска.

Нам также нужна конструкция для перевозки 34 тонн топлива, а ракетный двигатель будет иметь гораздо большую тягу, чем оригинальный двигатель Cessna, поэтому нам, возможно, придется усилить конструкцию Cessna, чтобы выдержать нагрузки. Он начинает быстро накапливаться, и становится еще хуже, если учесть, что эти 34 тонны тоже надо запускать. Чтобы поднять первоначальные 1200 кг, хватило бы ракеты-носителя «Союз». Весом 34 тонны, вы превосходите самые тяжелые ракеты-носители, которые у нас есть.
Сравните это со спускаемым аппаратом «Союз», который весит около 3000 кг. Очевидно, что аэродинамическое торможение и парашюты несут гораздо меньшую потерю веса, чем удаление всего этого дельта-V только за счет тяги.

Максимальная нагрузка на конструкцию IIRC Cessna составляет примерно около 1 г, и это для причудливых Cessna, таких как 441. К тому времени, когда вы снижаете орбитальную скорость до дозвуковых скоростей, гравитация берет верх, уменьшая вашу высоту, и вы сталкиваетесь с более плотной атмосферой на скоростях, которые она не могла бы возможно терпеть. Развёртывание парашюта достаточного размера только помогло бы разорвать его на части.
Вот почему я добавил коэффициент, чтобы свести на нет любой прирост скорости от свободного падения.
Хорошо, но это уже близко к 1 г, поэтому сжигание в векторе замедления в конечном итоге будет только длиннее, что потребует еще большей реактивной массы, потому что лишь небольшая часть этого на самом деле снижает вашу орбиту.
Вы были бы удивлены. Легкие самолеты выдерживают нагрузки +3,8g и -1,5g.
Легкие самолеты в нормальной категории испытывают нагрузку +3,8g, но если вы выберете самолет пилотажной категории, вы получите +6g и -3g.
Я думаю, вам понадобится ровно столько же топлива, сколько вы потратили, чтобы вывести его на орбиту в первую очередь...
@TildalWave Подумайте на мгновение, как это могло быть правдой: «Максимальная нагрузка на конструкцию Cessna составляет примерно 1 г». Все пилоты нагружают крылья более чем на 2g во время тренировок по выходу из штопора, а многие тянут от -3g до 4g, выполняя фигуры высшего пилотажа на непилотажных самолетах. Угадайте, что эти самолеты до сих пор летают.

Cessna находится на краю атмосферы, где ее потенциальная энергия очень высока, и она должна рассеиваться в той или иной форме (которую возвращаемые аппараты рассеивают в виде тепла), поскольку в этом случае энергия сохраняется. Речь не идет о скольжении по атмосфере.

  • Во время входа в атмосферу шаттл испытывает огромные нагрузки, из-за которых Cessna может рухнуть.
  • Несмотря на то, что Cessna скользит через него, в конечном итоге он достигает гиперзвуковой скорости (капсула Apollo достигла числа Маха, почти равного 36), что приводит к носовой ударной волне, которая, в свою очередь, вызывает повышение температуры вблизи его передней части, чего Cessna не выдержит (расплавится или станет слабый ведет к неудаче). Но возвращаемые аппараты защищены от этого сильного жара (у шаттлов плитка в носовой части).
  • Если Cessna не находится под давлением, это приведет к большему усилию (из-за большой разницы давлений внутри и снаружи Cessna, где давление будет очень высоким) на корпус Cessna, который не предназначен для того, чтобы выдерживать его.
Ракеты / топливо будут использоваться для снижения орбитальной скорости и обеспечения контролируемого спуска на 418 км (260 миль), чтобы вы не перегревались.
@JamesJenkins - Скорость МКС на орбите . И Cessna не прочь развалиться ни при ускорении, ни при торможении. Что касается его структурной стабильности, это то же самое.
@TildalWave, если вы сохраните замедление, скажем, на половину g, это не должно вызывать чрезмерной нагрузки на Cessna. Я не знаю, каковы критерии дизайна, но я полагаю, что он может легко выдержать 1,5 g.
@JamesJenkins - Лучше бы эти ракеты замедления были чем-то, чего мы еще не видели, иначе вы будете летать через их выхлоп в консервной банке, которая вскоре станет чрезвычайно обугленной печеной фасолью. В любом случае, без ракет ничего не изменилось бы, вы просто напрасно добавляете вес и его потенциальную энергию, необходимую для замедления. И я понятия не имею, куда прикрепить ракеты к Цессне, или ожидать, что она выдержит их силу ускорения, или даже их вес и сопротивление, которые они будут производить, когда вы приближаетесь к нижним слоям атмосферы с повышенным сопротивлением воздуха и гравитационным притяжением. .
@TildalWave Думаю, ты прав. К тому времени, когда вы закончите проект, который вы обсуждаете, это будет пуленепробиваемая боеголовка с Cessna в пенопласте внутри. Это может сработать.

Хотя Cessna крайне неправдоподобна из-за множества стрессовых и температурных факторов, Берт Рутан разработал средство для спуска без теплозащиты.

Этот режим называется «режим волана» и включает в себя конфигурацию с высоким байпасом на трансзвуковом планере; SpaceShip One не терял орбитальную скорость. Космический корабль-один двигался на очень низкой орбитальной скорости, недостаточной даже для того, чтобы квалифицироваться как орбитальная во всех терминах, кроме самых технических. Причина режима волана заключается в том, что он создает огромное сопротивление очень небольшому количеству материала.

Предлагаемая Cessna не может этого сделать, но режим волана в стиле SpaceShipOne теоретически может использовать принципы, используемые для удаления вертикальной скорости, чтобы удалить орбитальную скорость за счет почти вакуумного сопротивления; переведите его в режим волана, поддерживайте правильный угол и заставляйте угол постоянно меняться по мере того, как он превращается в эллипс, сталкивающийся с Землей. (Рутан говорил об этом в интервью.) Точно так же, как волан для бадминтона, брошенный вперед со скоростью 80 миль в час, быстро падает до менее 1 мили в час и при этом наклоняется вниз, то же самое может сделать и орбитальный корабль.

Хитрость будет заключаться в поддержании коэффициента лобового сопротивления, который не приведет к слишком быстрому нагреву - и правильный режим волана теоретически может сделать именно это ... при условии, что углы правильные при начальном входе. Кроме того, поскольку основное сопротивление находится за центром масс, оно должно, как и в случае с воланом для бадминтона, поддерживать правильный угол за счет динамической устойчивости.

Есть ли тесты или симуляции с орбитальной скорости?
Рутан сказал, что провел несколько симуляций... но, судя по тому, что можно увидеть, это не является целью программы в SC. Целью Virgin Galactic является отправка людей на неорбитальные рейсы.
Тому, кто редактировал во всех ссылках - вы добавили совершенно неактуальные. Не делай этого. Плохая форма и плохой монтаж.
Минимальная орбитальная скорость Земли составляет ~ 17 500 миль в час. Максимальная скорость Space Ship One составляла ~ 2100 миль в час. Сказать, что SpaceShip One «был на очень низкой орбитальной скорости», неверно, поскольку он никогда не приближался к орбитальной скорости. Мои правки на этот счет были отменены ОП; есть что-то, что мне не хватает?
Орбитальная скорость в этом отношении относится к направлению, а не к величине. Это то, что вы пропустили, плюс вы исказили формулировки в другом месте с помощью поиска и замены.
Сможете ли вы доставить Cessna с МКС на Землю?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v