항공 발사 우주 비행기가 탈출 속도에 도달 할 수 있을까?

Ariane 5 와 같은 로켓의 무게는 수백 톤이지만 중량의 약 85 %가 연료 인 경우 탑재량 비율은 약 3 % (~ 10-20 톤)에 불과합니다.

버진 은하계는 주로 관광 목적으로 지하 궤도면을 구축하고 있습니다. 그들은 마하 4 쯤에 지구를 탈출하기에는 너무 느리게 날아갑니다.

앞으로 20 년 동안 발사 된 우주선이 현실적으로 실제로 달로 날아갈 수 있는지, 즉 탈출 속도에 도달 할 수 있을지 궁금합니다.

그들이 할 수있는 경우의 부수적 인 질문 : 그들은 토성 V 와 같은 표준 로켓보다 다소 연료 효율이 좋습니까? 실제로 탑재 가능한 페이로드는 얼마입니까?

믿거 나 말거나, 정부 자금이 마지막 순간에 프로젝트에서 뽑히지 않았다면, 우리는 50 년 전에 할 수 있었을 것입니다. 실망스럽게도 과학자, 엔지니어 및 기술자의 수년간의 작업 끝에 Boeing X-20 Dyna-Soar 프로젝트는 실제 우주선에서 작업이 시작된 직후 취소되었습니다.

X-20에 대한 작가의 인상은 다음과 같습니다 .

X-20은 폭격과 정찰에 사용될 궤도 우주선을 개발하는 군사 프로그램의 결과였습니다. 그것은 궤도로 발사되어 잠시 동안 머 무르도록 설계되었습니다. 크기가 35 피트에 불과한 작은 크기에도 불구하고 이론상 발사 후 궤도 속도에 도달합니다. 연습용 글라이드 테스트 중에 마하 18에 도착했습니다.

X-20은 공중 발 사용이 아니라 Titan III 미사일 위에 발사되도록 설계되었습니다 . 그러나 비슷한 디자인-X-20의 선구자 -Bomi 는 이런 식으로 시작되도록 설계되었습니다. 여기$^1$ Bomi (왼쪽), X-20 (맨 오른쪽 2) 및 Robo (관련 프로젝트)를 비교합니다.

_{(출처 : astronautix.com )}

보미에는 두 가지 버전이있었습니다. 최대 속도는 마하 4 인 궤도 궤도 버전과 최대 속도는 궤도 속도입니다. 후자는 아마도 당신이 관심이있는 것일 것입니다. 그것은 23 피트 길이 였을 것이고 34,000 킬로그램의 페이로드를 가지고 있었을 것입니다 – 두 개의 핵폭탄에 충분합니다.

두 버전 모두 일종의 런처에서 시작되었을 것입니다. Bomi가 연결된 더 큰 차량입니다. 이 설계는 비행이 궤도인지 또는 궤도 이하인지에 따라 변경 될 수 있습니다.

Bomi는 Dyna-Soar (X-20)에 대한 자금 지원이 철회되면서 결국 취소되었으며 , 같은 운명을 겪었습니다. 그러나 Dyna-Soar는 활공 테스트 단계 (B-52에서 떨어짐)를지나 거의 실제로 우주로 향했습니다. 자원이 Bomi로 이전되면 성공했을 수 있습니다.

Bomi가 지구 궤도를 탈출했을 수 있습니까? 약간의 작업만으로도 가능합니다. 다양한 로켓 군이 어떻게 진화했는지 생각해보십시오. 다른 유형은 다른 임무를 수행 할 수 있습니다. 토성 V는 소형, 준 궤도 및 궤도 로켓의 최종 결과였습니다. 만약 Bomi가 아폴로 프로그램의 범위까지 개발 되었다면 지구 궤도에서 그것을 만들었을 가능성이 매우 높다고 생각합니다.

$^1$이 이미지는 여기에 명시된 것처럼 공개 도메인에있는 것으로 보입니다 .

앞으로 20 년 동안 발사 된 우주선이 현실적으로 실제로 달로 날아갈 수 있는지, 즉 탈출 속도에 도달 할 수 있을지 궁금합니다.

• LEO에 대한 항공 발사 : 이제 완료

• 달 궤도에 공기 발사-예, 그러나 LEO 탑재량의 20 % -25 %

• Moon으로 에어 런칭하고 LEO로 다시 돌아옴 : 예, 그러나 LEO 페이로드의 약 5 %

• 종이 기반 시스템에 열중 할 때 실제 현실을 간과하기 쉽습니다.
  공중 발사체 질량 대 날개로 돌아온 모선 질량의 비율을 간과해서는 안됩니다. 모선 크기는 우주 차량 질량의 상한을 설정합니다. 예를 들어 풍선을 사용하면 무거운 리프트 항공기 탑재량 질량 이상으로 증가 할 수 있지만 이는 매우 특수한 시스템을 요구합니다. 아래 그림을 보면 지구 표면으로의 유인 달 반환이 공기 발사 시스템에 대한 비현실적으로 높은 기대 인 것처럼 보입니다. 달 궤도에 작은 무인 기술이 실용적입니다.

대답은 "그렇습니다. 분명히"일반적으로 사용되는 것보다 더 작은 음력 발사기를 구축 할 수 있고 그것을 발사하는 수단을 생각할 수 있습니다. 예를 들어 풍선 발사는 매우 큰 질량을 허용 할 수 있으며 다양한 연구에서 제안되었습니다.

일반적인 개념의 존재 증거는 몇몇 "Orbital Sciences Corporation"항공 발사 궤도 차량의 형태로 제공됩니다. 이들은 LEO (낮은 지구 궤도) 삽입에만 사용되지만 적절하게 작은 하중이 주어지면 탈출 속도를 달성 할 수 있습니다.

아래 자료는 기존의 소형 항공 발사 LEO 위성 발사기와 Orbital Sciences, Burt Rutan 및 Paul Allen의 2013 제안에 따라 현실적으로 달성 할 수있는 예를 보여줍니다.

이것은 중요하지 않은 공기 발사가 달 궤도에 약 800 ~ 1000 파운드를 전달할 수 있음을 보여줍니다. 이것은 실제로 한 사람을 달 궤도에 제공하려는 것보다 불편하게 작습니다. 스케일링이 가능하지만 다 인승 달 왕복 비행에는 매력적이지 않습니다.

공중 발사의 장점은 고도 이득이 아니라 공기 저항 감소의 현저한 이득과 속도의 작은 이득입니다. 공기 발사 속도는 궤도 속도의 작은 부분이지만, 지상 기반 발사기는 중력에 대한 최대 질량을 지원하면서 초기 속도를 추가해야합니다. 이것은 공기 저항 손실과 비교하여 미미하지만 유용합니다. 공기 저항 반쪽 에 대한15,000 피트마다, 드래그는 공기 밀도와 반비례합니다. 드래그는 속도 제곱에 비례합니다. 따라서 더 느리게 시작할 수 있으면 크게 도움이됩니다. 궤도에 도달하려면 매우 실질적인 "수평"속도가 필요하지만 처음에는 최소한의 손실로 두꺼운 대기에서 벗어나는 것이 매우 중요합니다. "모성"에는 날개와 공기 호흡 엔진이 있으며 연료는 높은 고도와 높은 속도로 운반하는 비용에 비해 저렴하므로 공기 발사 시스템은 발사 차량 비용과 성능을 합리적으로 구축 할 수있는 상황에서 제공합니다. 충분히 큰 "모성". 작은 LEO 페이로드의 경우 매우 유용하고 사용 가능합니다.

다음은 XL Systems "Pegasus"의 공기 발사 비디오입니다 . 시작 직전부터 1 단계 번 아웃까지의 동작을 보여줍니다.

2013 년 5 월 현재이 기능의 "다음 단계"가 표시됩니다.
Stratolaunch 및 궤도 – 공중 발사 높이 . 이것이 내가 알지 못하는 최근 사건에 의해 어떻게 수정 되었습니까? 그러나 이것은 2013 년에 계획 된 것을 보여 주었으므로 귀하의 질문과 관련이 있습니다.

이 발사기는 LEO에 13,500 파운드의 탑재량을 제안했습니다.
광대하지는 않지만 유용한 페이로드를 제공합니다.

상대 델타 V 및 연료 요구 사항을 임무에 할당하는 것은 너무 복잡하여 특정 예보다 더 간단한 답변을 얻을 수는 없지만 실제로는 대략적으로 대략 LEO에서 달 궤도까지의 "delta-V"는 약 40 %입니다. 지구 표면에서 LEO에 도달하는 데 필요한 아래 표는 다양한 궤도 및 위치 전이에 필요한 속도 변화를 제공합니다. 이것은 LEO에서 달 궤도에 필요한 델타 V로서 3.9km / s를 제공합니다.

로켓의 속도 변화를 계산하는 기본 공식은 (놀랍지 않게) "로켓 방정식 :-

• V = Isp xgx ln (M2 / M1)

  Isp = 연료의 특정 임펄스
  M2 = 시작 질량
  M1 = 끝 질량 g = 중력 상수 (~~ = 10 m / s / s)

M2 / M1 = 질량비 = MR이라고 부릅니다.

4000m / S의 델타 -V를 생산하기 위해 300의 현대 표준 Isp를 겸손하게 사용하려면 약 3.7의 MR 또는 총 질량의 1/3 ~ 7.7 = 27 %가 필요합니다.
따라서 위의 13,500 파운드 중 25 %가 달 궤도에 전달 될 수 있습니다.
= ~ 3375 파운드 = 1.5 톤
~ = 1.5 톤 :-)

이것은 차례로 약 840 파운드를 LEO로 되돌릴 수 있고 다소 적은 양을 지구로 되돌릴 수 있습니다. 아래 표는 이 델프트 대학 페이지 에서 가져온 것입니다

관련 :

링크가있는 페가수스 런처 사진

OSC 페가수스 -1990 년 이후 44 개 출시.

페가수스 XL -LEO는 443kg이므로 달 궤도는 100kg입니다.

NASA 페가수스 미션 2014

OSC Facebook 페이지

내부 시스템 델타 V 차트

에서 ** 위키 백과 - 델타 V 예산
도에서 사용 이 스택 교환 후

로켓 비행 경로를 가정하여 정신 모델을 시작하십시오. 우주 왕복선의 속도 / 고도 대 시간 도표 :

_{(출처 : aerospaceweb.org )}

제트 엔진이 더 좋습니다 $Isp$로켓보다. 제트 엔진을 로켓에 싣자. Falcon 9는 약 1.1m lbs의 추력을 방출하므로 GE-90을 사용하여 120,000 lb를 추가하여 해수면 가속도를 두 배로 늘릴 수 있습니다. 엘론 머스크는 팔콘 9의 가격이 로켓 전체 에 약 5 천 5 백만 달러 라고 말했다 . GE-90의 비용은 약 24 백만 달러입니다. 죄송합니다. 시스템에 50 %의 비용이 추가되었으며 (복구 시스템 개발 또는 통합 제외) 추력은 고도에 따라 빠르게 떨어집니다.

대신 F-414를 사용하십시오. 비용은 약 4 백만 달러 이며 적절하게 설계된 흡입구로 최대 약 Mach 2까지 유용 할 수 있으며 속도는 실제로 램 압력을 발생시켜 애프터 버너 램제트 스타일을 제공합니다. 우리는 단 4m $의 더 긴 화상에 대해 26,000 파운드의 추력을 얻습니다 . 로켓 우린 리프팅은 여전히 우리가 아니에요, 그래서 거대한이어야한다 그 잘 떨어져 아직.

순수한 램제트는 이륙시 사하중의 딜레마를 나타내며 가장 느린 가속 단계에서 로켓을 더 추가하므로 우리도 이길 수 없습니다. Ramjet은 로켓을 추월합니다$Isp$ 램 압력이 충분히 높아질 때까지 연료를 너무 많이 넣으면 앞쪽으로 공기를 날려 버릴 수 있기 때문에 약 Mach 0.5에서 한동안 전체 추력을 발생시킬 수 없습니다.

따라서 공기 호흡 엔진은 1 달러당 톤의 추력을 생성하지 않으며 저속 범위를 갖습니다. 날개는 약 16 : 1의 속도로 들리므로 엔진을 사용하여 천천히 가속하고 40,000ft와 마하 1로 비행 할 수 있습니다. 이는 최종 속도의 약 1/25에 해당하는 로켓 무게를 절약 할 수 없습니다. 그리고 1 분의 드래그. 무게를 20 % 줄이고 900,000lb 만 운반하면된다고 가정 해 봅시다.

747-8은 308,000lb의화물을 운반하며 약 $ 350,000,000의 비용이 듭니다 . 하자의 비용 및화물 규모는 선형, 우리가보고 적어도있어 말할 $ 멀리에서 울고, 700,000,000 실행 $ 54m, 모터 보트의 수를 상각,하지만 너무 747-8에 대한이었다 개발 비용 인 $ 37 억 다시 한 번 선형으로 확장 하면 많은 출시에 걸쳐 약 80 억 달러 가 필요합니다 . SpaceX는 최근 구글과 Fido에서 10 억 달러를 모금했습니다 .

공기 호흡기에서 탑재 물을 발사해야한다는 딜레마가 있습니다. 제로 속도로 추력을 발생시키는 훨씬 저렴하고 높은 추력 대 중량 제트 엔진이 필요하거나 로켓으로 돌아가 ULA 및 SpaceX와 같은 복구 기술을 개발 중입니다.

많은 사람들이 점점 더 빠른 속도로 더 긴 공기 흡입 비행 경로를 시도했지만 스크 램제트, 프리 쿨러, 열 관리를 사용하기 시작했으며 더 작아 지거나 충분히 큰 봉투를 넘어서거나 충분히 높은 속도에 도달하는 것처럼 보이지 않습니다. 어쨌든 최종 로켓 문제가됩니다.