Выполним ли профиль миссии «дирижабль на орбиту»?

Почти все воздушные шары, которые были сконструированы, предназначались для полетов с поверхности на высоту. Для этого требуется конструкция, которая может выжить привязанной к поверхности в диапазоне скоростей ветра в воздухе с высокой плотностью, а затем расширяться в несколько раз по сравнению с первоначальным размером, чтобы поддерживать подъемную силу при уменьшении плотности воздуха. В конечном итоге минимальная плотность определяется необходимостью выживания при взлете.

ATO представляет собой двухступенчатую систему, верхняя ступень которой строится на высоте 140 тыс. футов. Учитывая, что он никогда не будет привязан к земле, на него вообще не будет воздействовать ветер, потому что станция Dark Sky будет находиться точно в том же воздухе, в котором находится верхняя ступень. Это означает, что нижний предел ее плотности в конечном итоге определяется другие факторы, такие как разность скоростей воздуха в разных частях конструкции. Это все еще может быть убийцей, но «самые тонкие воздушные шары» (упомянутые в ответе Чарльза Пули как едва легче 4 г / м ³ воздуха на этой высоте) здесь не имеют значения, потому что самые тонкие воздушные шары, которые кто-либо испытал должно быть намного плотнее, чем то, что вы могли бы построить на высоте 140 000 футов.

Подъемная сила является функцией сопротивления. На любой высоте, где сопротивление не позволяло бы верхней ступени достичь орбитальной скорости для этой высоты, верхняя ступень продолжала бы создавать подъемную силу. Этот профиль плавно продолжается до тех пор, пока верхняя ступень не достигнет достаточно близкой к орбитальной скорости, чтобы это больше не имело значения. Вполне возможно, что на каких бы высотах вы ни хотели работать, разгонная ступень должна постоянно генерировать тягу, и все, что вы хотите на реальной орбите, потребует дополнительного толчка, но с ионным двигателем на солнечной энергии это не похоже. как большое неудобство.

АТО столкнется с множеством проблем, но я не знаю ни одной очевидной убийцы. Есть такие проблемы, как радиация и логистика строительства в условиях полной гравитации и чрезвычайно низкого давления, но я полагаю, что DSS и верхние ступени в конечном итоге будут построены роботами. Даже если в конечном итоге он будет использоваться только для перевозки грузов, «взрослое» космическое общество все равно должно отправлять людей и груз отдельно, потому что у них разные требования к скорости и безопасности. Люди могут ждать на земле, пока груз, с которым они работают, не окажется в безопасности на орбите.

Чтобы плавать на высоте 140 000 футов (> 42 км), требуется конструкция с невероятно низкой плотностью.

На высоте 40 км плотность воздуха составляет менее 4 граммов на кубический метр. Едва достижимо с самым легким из воздушных шаров. Предлагаемые дополнительные конструкции, двигатели и т. д. делают это совершенно невозможным.

Что касается поднятия аэростата на орбиту, то опять-таки невозможно. Сопротивление будет на несколько порядков больше.

Я думаю, что дирижабль может стать гиперзвуковым, что уже является большим достижением, если это произойдет. Если они смогут достичь скорости 12 Маха, то это можно будет комбинировать с помощью троса обмена импульсом, чтобы выйти на орбиту. Это все еще большой вопрос.

[

см. также эту статью

Подробнее о системе HASTOL см . в этой статье .

Я не уверен в ускорении до орбиты, потому что размер необходимого им дирижабля настолько огромен - это серьезная проблема.

Не помогает и то, что его цифры, которые даны в футах, похоже, нужно интерпретировать как метры, чтобы получить требуемую плавучесть. Например, он говорит, что его 6000-футовый дирижабль будет иметь нейтральную плавучесть на высоте 200 000 футов и нести 20 тонн на орбиту, но его подъемной силы достаточно только для 2,6 тонны. Если это 6000 метров, то это работает нормально, потому что вы умножаете все числа на 35, что дает 91 тонну, что делает гораздо более реальным вывести 20 тонн на орбиту даже с обшивкой, двигателем, экипажем и топливом. См. мой Будущие гигантские дирижабли JP Aerospace могут медленно разгоняться до орбиты? Глядя на цифры

Что касается прочности дирижабля - они планируют использовать воздушные лучи, учитывая его огромный километровый масштаб и очень разреженную атмосферу - и то, что обшивка не предназначена для поддержки конструкции (немного как у Скайлона). Я не понимаю, почему это было бы невозможно. Обшивка воздушного шара JAXA очень прочная - при толщине 3,4 микрона она выдерживает разрывную нагрузку в 400 килограммов на квадратный сантиметр. Казалось бы, слишком много для этого приложения, учитывая одинаковое давление внутри и снаружи. Это излишество и для JAXA - основная причина, по которой они такие толстые, заключается в том, что трудно сделать их однородными по толщине, если они очень тонкие. Так что, если это можно взломать, тогда кожа может быть намного тоньше и все еще очень прочной.

Что касается метеоритных ударов, то внешняя обшивка поддерживается в равновесии с атмосферой снаружи, а внутренние подъемные шары надуваются всего до 2 миллибар. Так что, если в подъемных шарах есть брешь — маленькое отверстие от микрометеорита — водород будет улетучиваться очень медленно. Они должны быть спроектированы так, чтобы их можно было легко заменить, а также он мог бы откачивать водород, чтобы уравнять давление внутри и снаружи, когда он поднимается, и для подъемных шаров.

Так или иначе - я думаю, что прочность дирижабля - вопрос второстепенный. Другими очень важными, но второстепенными вопросами являются ремонтопригодность и надувание на высоте 140 000 футов.

Здесь я хочу сосредоточиться на том, что кажется наиболее существенным — на основных положениях физики, которые должны работать, чтобы сделать их вообще возможными.

Мой вывод состоит в том, что если он сможет достичь высокого отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению за счет гиперзвукового полета и высокого отношения ISP, то это может быть осуществимо. Итак, давайте рассмотрим это подробно

НЕОБХОДИМОСТЬ ВЫСОКОГО ИНТЕРНЕТА

Если у него есть ISP 2000 с его грязным ионным двигателем, то до тех пор, пока не более 50% тяги ракеты используется для преодоления сопротивления, тогда легко рассчитать общее количество топлива на орбите. Это имеет тот же эффект, что и удвоение дельты v при условии отсутствия сопротивления.

Поэтому я просто ввожу двойное значение дельта v на орбиту (которое мы принимаем за 7844 м/с) или 15 688 м/с в уравнение идеальной ракеты, предполагая, что ISP 2000, масса, скажем, 100 тонн. Получается, что сухая масса, которую вы получаете на орбиту, составляет 44,9 тонны. Итак, вам нужно 55,1 тонны топлива. Вот идеальный калькулятор уравнения ракеты для проверки расчетов.

СООБРАЖЕНИЯ ПО ОТНОШЕНИЮ ПОДЪЕМНОЙ ПЛОЩАДКИ К СОПРОТИВЛЕНИЮ

Вы также можете рассчитать ускорение, необходимое для данного отношения подъемной силы к сопротивлению, предполагая, что не более половины тяги ракеты используется для преодоления сопротивления. Например, если отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению равно 4, то если половина тяги идет на преодоление сопротивления, то нужна ракета, способная разогнать его до 1/2 g в свободном пространстве, а дирижабль разогнался бы до 1/4 g. Что-нибудь меньшее, чем это, и это очень расточительно расходует топливо, и, безусловно, было бы целесообразно добавить дополнительный двигатель для увеличения тяги.

Если половина тяги используется для преодоления лобового сопротивления, то это ракетное уравнение с удвоенной дельтой v на орбиту, которую мы только что использовали. Если, скажем, две трети тяги используются для преодоления сопротивления, это эквивалентно утроению дельты v на орбиту в уравнении ракеты без сопротивления.

Итак, соотношение подъемной силы к лобовому сопротивлению 4 : 1 является разумным, если дирижабли могут быть такими же хорошими, как типичный гиперзвуковой самолет. Skylon может приблизиться к этому. Но 1/2 г тяги — это большая просьба для его грязного ионного двигателя.

Вы также можете рассчитать время выхода на орбиту из отношения подъемной силы к сопротивлению (при условии, что половина тяги используется для преодоления сопротивления) и отношения подъемной силы к сопротивлению из времени выхода на орбиту. Уравнения:

Время выхода на орбиту от подъемной силы до коэффициента лобового сопротивления L:

7844 * л / 9,80655 с

Например, если среднее отношение подъемной силы к сопротивлению равно 4, время выхода на орбиту из состояния покоя должно составлять 7844/(9,80655/4) = 3199 секунд или около 53 минут.

Итак, теперь предположим, что наш орбитальный дирижабль каким-то образом может управлять подъемной силой в 70 раз, как лучший планер, планер ETA, и снова использует 50% своей тяги для компенсации сопротивления. Тогда ему потребуется 1/35 г тяги, и он выйдет на орбиту за 7 844 * 70 / 9,80655 = 55991 секунды, или примерно 15 часов 33 минуты. (Вы можете использовать этот онлайн-инструмент , чтобы быстро конвертировать секунды в часы и минуты).

Отношение подъемной силы к сопротивлению от времени до орбиты:

L = t * 9,80655 / 7,844, где t — время выхода на орбиту в секундах.

В более общем случае L = t * 9,80655 * (R-1) / 7844, где R - отношение тяги к сопротивлению.

Поскольку JP Aerospace заявляет, что их дирижаблю потребуется три дня, чтобы добраться до орбиты, это предполагает очень высокое отношение подъемной силы к сопротивлению, превышающее 300, либо это, либо у них очень низкое отношение тяги к сопротивлению, не намного превышающее 1, что не имеет значения. много смысла для меня.

Дирижабль автоматически поднимется до любого уровня в атмосфере, дающего ему сопротивление, соответствующее его соотношению подъемной силы к сопротивлению. Например, если он имеет отношение подъемной силы к сопротивлению, равное 10, и вес, скажем, 1 000 000 ньютонов, то, если лобовое сопротивление больше 100 000 ньютонов, баланс сил заставит его подниматься до тех пор, пока в атмосфере он не достигнет уровня, при котором лобовое сопротивление не более 100 000 ньютонов.

Таким образом, чем выше отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, тем меньше лобовое сопротивление и, следовательно, тем меньшая необходимая тяга. Общее количество топлива одинаково, если только половина тяги используется для преодоления сопротивления. Однако их грязный ионный двигатель будет иметь малую тягу, поэтому ему нужна большая подъемная сила.

К сожалению, он также не приводит никаких цифр его производительности. Но если его целевое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению действительно превышает 300, тогда ему нужно иметь достаточную тягу, чтобы разогнаться до 1/150 g в свободном пространстве. Что действительно поставило бы его где-то между стандартным ионным двигателем и химической ракетой.

ВЫСОКАЯ ПОДЪЁМНАЯ ГРУППА ДЛЯ ДИРИЖАБЕЛЕЙ?

Так возможны ли такие высокие отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению?

Я думаю, что это трудно сказать, потому что это просто выходит за рамки какого-либо опыта реального мира. Кажется, нет никакой литературы, чтобы консультироваться по этому поводу.

Дирижабли могут быть нелогичными даже на дозвуковых скоростях. Airlander 10 имеет огромное поперечное сечение, но добавления этих крошечных плавников достаточно, чтобы достичь коэффициента подъемной силы к лобовому сопротивлению 3,8.

Так что же происходит с гиперзвуковым дирижаблем? Во-первых, есть возражение, что он должен преодолеть звуковой барьер, но он отвечает на это, говоря, что это произойдет так высоко в атмосфере при такой низкой плотности, что это не проблема.

Итак, давайте пока оставим это (я подробнее остановлюсь на этом в своей статье) и сосредоточимся на том, что я считаю самым фундаментальным вопросом — на коэффициенте подъемной силы и сопротивления.

Все дело в том, что орбитальный дирижабль спроектирован как волнорез. При полете на гиперзвуковых скоростях он движется поверх ударной волны, вызванной его гиперзвуковым полетом. Ударная волна фактически касается его тела под ним. Затем у него будет технология снижения лобового сопротивления, которая отводит ударную волну от его носа. Таким образом, спереди мало сопротивления, а V-образная форма оптимизирована для вейврайдера.

ГИПЕРЗВУКОВОЙ ВОЛНОВОДЧИК ПОДНИМАЕТСЯ ОТ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ, А НЕ ЗА ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЕМНОГО ИМПУЛЬСА ВОЗДУХА.

Я не слышал о гиперзвуковых гонщиках на волнах, пока не прочитал об этом в книге JP, но это хорошо зарекомендовавшая себя концепция, которая восходит к теоретическим работам, начатым в 1951 году, и многократно проверенным на практике. Вот страница в Википедии об этом со множеством ссылок . Это зависит от «компрессионной высоты», которая описана здесь .

Потом - поднимается не столько от изменения импульса объемного воздуха, сколько от удара об кожу, как обычный дирижабль. Вместо этого он получает его из плотности и разницы давлений между воздухом под ним и воздухом над ним.

Так что теперь имейте в виду, что его дирижабли имеют очень низкую плотность.

Используя его цифры в метрах вместо футов, предполагая 100-тонный дирижабль — на самом деле это 91 тонна на 6000 метров длины и нейтральная плавучесть, если расчеты верны — но давайте предположим, что 100 — круглое число.

Итак, взяв его вес в единицах силы в 1 000 000 ньютонов и очень низкую плотность, с грузоподъемными подушками внутри, находящимися под давлением до 2 миллибар, я подсчитал, что его воздушному кораблю требуется всего 3,7 ньютона на квадратный метр давления вверх, чтобы полностью компенсировать его вес.

Это использование оценки площади поверхности нижней части дирижабля - части, контактирующей с ударной волной, как более 270 000 квадратных метров (снова читая футы как метры) - там я просто умножил 6000 метров на 2 и на ширину 300 метров, и вычесть 300 * 300 на перекрытие между двумя крыльями, как оценку площади только для одной стороны. Это занижено, потому что поперечное сечение овальное, а не плоское, поэтому будет немного больше.

Поскольку избыточное давление ударной волны будет действовать только вверх, его не должно быть много, чтобы компенсировать вес дирижабля. Оно не обязательно должно быть таким же, как давление нейтральной плавучести в 2 миллибара на высоте 200 000 футов.

Атмосферное давление составляет 10,3 метрических тонны на квадратный метр, или около 101 000 ньютонов на квадратный метр. Так что его 3,7 ньютона соответствуют избыточному давлению в 0,0366 мбар. Даже крошечного избыточного давления в ударной волне было бы достаточно, чтобы компенсировать весь вес его дирижабля.

Когда вы начинаете думать об этом таким образом - сверхлегкий гиперзвуковой волнолет, представляющий огромную площадь поверхности для ударной волны и путешествующий в верхних слоях атмосферы в том, что обычно называют жестким вакуумом, - это что-то совершенно выходящее за рамки любого нормального аэродинамического опыта.

Итак, мог ли он таким образом достичь высокого отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению - намного лучше, чем даже наши лучшие планеры?

Хотя он никогда и нигде не говорит об отношении подъемной силы к лобовому сопротивлению, из этих простых аргументов кажется, что он должен стремиться к очень высокому соотношению подъемной силы к лобовому сопротивлению, чтобы концепция работала.

ОТКРЫТЫЙ ВОПРОС - ВОЗМОЖНА ЛИ ДЛЯ ГИПЕРЗВУКОВОГО ВЕЙВЕРАЙДЕРА ТАКАЯ ВЫСОКАЯ ПОДЪЁМНАЯ ГРУППА К СОПРОТИВЛЕНИЮ

Это очень необычная ситуация, когда сверхлегкий гиперзвуковой наездник работает в настолько разреженном воздухе, что его можно считать жестким вакуумом. Может у него высокое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению. Я оставляю этот вопрос открытым — я не знаю ответа и не нашел ни одной исследовательской работы, в которой бы решался этот вопрос в такой необычной физической обстановке.

Итак, это мое главное понимание этого. Расчет плавучести принадлежит Джеймсу Финканнону, хотя остальная часть этого здесь - моя собственная работа, и я не хотел бы предполагать, что он поддерживает что-либо в остальном. Идеи здесь исходят из очень стимулирующей дискуссии с ним в разделе комментариев SpaceShow.

Больше предыстории и расчетов. Могут ли будущие гигантские дирижабли JP Aerospace медленно разгоняться до орбиты? Глядя на цифры