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.
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:
Начиная с 200 км и пренебрегая атмосферными воздействиями, получаю 1980 м/с. Если ракета должна тормозить и на этой скорости, то общая
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:
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.
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.
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.
икрасе