Gli aerei spaziali lanciati dall'aria potrebbero raggiungere velocità di fuga?

I razzi come l' Ariane 5 pesano centinaia di tonnellate, ma con circa l'85% di quel peso costituito da carburante, la frazione di carico utile è solo di circa il 3% (~ 10-20 tonnellate).

Virgin Galactic sta costruendo aerei spaziali suborbitali , principalmente per scopi turistici. Volano verso Mach 4, troppo lentamente per sfuggire alla terra.

Ora, mi chiedo se un'astronave lanciata dall'aria nei prossimi 20 anni potrebbe realisticamente farci volare sulla luna - cioè, potrebbero raggiungere velocità di fuga?

Come domanda secondaria nel caso in cui possano: sarebbero più o meno efficienti in termini di carburante rispetto ai razzi standard come il Saturn V ? Quanto payload sarebbe realisticamente trasportabile?

Che ci crediate o no, avremmo potuto farlo 50 anni fa, se i finanziamenti del governo non fossero stati estratti da un progetto all'ultimo minuto. Frustrantemente, dopo anni di lavoro di scienziati, ingegneri e tecnici, il progetto Boeing X-20 Dyna-Soar è stato annullato subito dopo l'inizio dei lavori sul veicolo spaziale reale.

Ecco l' impressione di un artista dell'X-20:

L'X-20 era il risultato di un programma militare che mirava a sviluppare un piano spaziale orbitale da utilizzare per i bombardamenti e la ricognizione. È stato progettato per essere lanciato in orbita e per rimanere lì per un breve periodo. Nonostante le sue piccole dimensioni - solo 35 piedi di lunghezza - avrebbe raggiunto la velocità orbitale dopo il lancio, in teoria. È riuscito a raggiungere Mach 18 durante i test di planata pratica.

L'X-20 non è stato progettato per essere lanciato in aria, ma per essere lanciato sopra un missile Titan III . Tuttavia , un design simile - un precursore dell'X-20, se vuoi - chiamato Bomi è stato progettato per essere lanciato in questo modo. Qui è un confronto tra Bomi (a sinistra), l'X-20 (i due all'estrema destra) e Robo, un progetto correlato:$^1$

_{(fonte: astronautix.com )}

Esistevano due versioni di Bomi: una suborbitale, con una velocità massima di Mach 4, e una orbitale, con una velocità massima di - beh, velocità orbitale. Quest'ultimo è probabilmente quello che ti interessa. Sarebbe stato lungo 23 piedi e avrebbe avuto un carico utile di 34.000 chilogrammi - abbastanza per due bombe nucleari.

Entrambe le versioni sarebbero state lanciate su una sorta di lanciatore - il veicolo più grande a cui è mostrato Bomi. Questo design potrebbe anche essere cambiato a seconda che il volo fosse orbitale o sub-orbitale.

Alla fine Bomi fu cancellato poiché furono stanziati finanziamenti per Dyna-Soar (l'X-20), che subì lo stesso destino. Ma Dyna-Soar ha superato la fase di test di planata (cadendo da un B-52), e quasi in realtà è arrivato nello spazio. Se le risorse fossero state trasferite a Bomi, avrebbe potuto avere successo.

Bomi potrebbe essere sfuggito all'orbita terrestre? Con un po 'di lavoro, potrebbe avere. Pensa a come si sono evolute le varie famiglie di missili. Tipi diversi possono svolgere diverse missioni. Il Saturno V fu il risultato finale di razzi più piccoli, suborbitali e orbitali. Se Bomi fosse stato sviluppato nella misura del programma Apollo, penso sia molto probabile che avrebbe potuto uscire dall'orbita terrestre.

$^1$ Questa immagine sembra essere di dominio pubblico, come indicato qui .

Ora, mi chiedo se un'astronave lanciata dall'aria nei prossimi 20 anni potrebbe realisticamente farci volare sulla luna - cioè, potrebbero raggiungere velocità di fuga?

• Lancio aereo su LEO: Fatto ora

• Lancio aereo verso l'orbita lunare: sì, ma al 20% -25% del carico utile LEO

• Lancio aereo su Moon e ritorno su LEO: Sì, ma con circa il 5% del carico utile LEO

• È facile trascurare alcune realtà pratiche quando si è entusiasti dei sistemi basati su carta.
  Il rapporto tra massa del veicolo lanciato dall'aria e massa alata di ritorno alla base della nave madre non deve essere trascurato. La dimensione della nave madre imposta un limite superiore alla massa del veicolo spaziale. Aumenti superiori alle masse di carico utile degli aeromobili ad ascensore pesante possono essere possibili ad es. Con palloncini, ma ciò richiede alcuni sistemi estremamente specializzati. Osservando le figure sottostanti sembra che il ritorno lunare con equipaggio sulla superficie terrestre sia un'aspettatamente alta aspettativa per i sistemi lanciati dall'aria. Le piccole imbarcazioni senza equipaggio verso l'orbita lunare sono pratiche.

La risposta è "sì, ovviamente" in quanto puoi costruire un lanciatore lunare più piccolo di quello che viene normalmente usato e puoi concepire un mezzo per lanciarlo in aria. ad es. il lancio del pallone può consentire una massa molto consistente ed è stato proposto in vari studi.

La prova dell'esistenza del concetto generale si presenta sotto forma di diversi veicoli orbitali lanciati dall'aria "Orbital Sciences Corporation". Questi sono usati solo per l'inserzione LEO (bassa orbita terrestre) ma la velocità di fuga sarebbe realizzabile dato un carico utile adeguatamente piccolo.

Il materiale di seguito fornisce esempi di ciò che potrebbe realisticamente essere realizzato sulla base dei lanciatori satellitari LEO lanciati da piccoli aerei esistenti e della proposta del 2013 di Orbital Sciences, Burt Rutan e Paul Allen.

Ciò dimostra che un lancio aereo non insignificante potrebbe fornire all'orbita lunare circa 800-1000 libbre, più con carburanti e sistemi assolutamente all'avanguardia o "navi madre" ancora più grandi. Questo è incredibilmente più piccolo di quello che realisticamente vuoi consegnare una persona all'orbita lunare e viceversa. Sebbene il ridimensionamento sia possibile, non sembra attraente per i voli di ritorno lunari per più persone.

I vantaggi del lancio aereo non sono il guadagno in quota in quanto tale, ma il guadagno significativo nella ridotta resistenza dell'aria e il piccolo guadagno in velocità. Mentre la velocità di lancio dell'aria è una frazione minore della velocità orbitale, un lanciatore a terra deve aggiungere la velocità iniziale supportando la massa massima contro la gravità. Questo è minore rispetto alle perdite di resistenza dell'aria, ma utile. Metà resistenza dell'aria suogni 15.000 piedi e la resistenza è inversamente proporzionale alla densità dell'aria. E il trascinamento è proporzionale alla velocità al quadrato - quindi se puoi iniziare più lentamente e più in alto può aiutare in modo significativo. Alla fine avrete bisogno di una velocità "orizzontale" molto consistente per orbitare, ma inizialmente, alzarsi dalla densa atmosfera inferiore con perdite minime è estremamente importante. La "nave madre" ha i motori alari e respiratori ad aria e il carburante è economico rispetto al costo del trasporto ad alta quota e alte velocità, quindi un sistema di lancio aereo fornisce guadagni nei costi e nelle capacità di lancio del veicolo in situazioni in cui è ragionevolmente possibile costruire una "nave madre" abbastanza grande. Per piccoli payload LEO è eminentemente praticabile (e utilizzato), per payload lunari a senso unico molto piccoli è fattibile, ma per il ritorno lunare,

Ecco un video del lancio aereo di un sistema XL "Pegasus" . Questo mostra l'azione da poco prima del lancio fino al burnout della fase 1.

La "fase successiva" di questa capacità a partire da maggio 2013 è mostrata qui.
Stratolaunch and Orbital - The Height of Air Launch . Come questo sia stato modificato da eventi più recenti non lo so, ma questo ha mostrato ciò che era in programma nel 2013, quindi è pertinente alla tua domanda.

Questo lanciatore ha proposto un carico utile di 13.500 sterline a LEO.
Non è vasto, ma offre sicuramente un utile payload

L'assegnazione dei delta V relativi e il fabbisogno di carburante alle missioni è troppo complesso per consentire risposte semplicistiche che coprono più di esempi specifici, ma come indicazione davvero approssimativa, il "delta-V" da LEO all'orbita lunare è molto circa il 40% di quello richiesto per raggiungere LEO dalla superficie terrestre. La tabella seguente fornisce le variazioni di velocità necessarie per varie transizioni orbitali e di posizione. Ciò fornisce 3,9 km / s come il delta V necessario da LEO all'orbita lunare.

La formula di base per calcolare la variazione di velocità per un razzo è l'equazione del razzo (non sorprendente):

• V = Isp xgx ln (M2 / M1)

  Isp = impulso specifico del carburante
  M2 = massa iniziale
  M1 = massa finale g = costante gravitazionale (~~ = 10 m / s / s)

Chiama M2 / M1 = rapporto di massa = MR.

Utilizzando un modesto Isp standard di 300 moderno, per produrre un delta-V di 4000 m / S richiede un MR di circa 3,7 o massa finale ~ = 1 / 3,7 = 27% del totale.
Quindi circa il 25% delle 13.500 sterline sopra potrebbero essere consegnate in orbita lunare
= ~ 3375 libbre = 1,5 tonnellate
~ = 1,5 tonnellate :-)

Questo a sua volta potrebbe restituire circa 840 sterline a LEO e una quantità piuttosto inferiore a terra. La tabella sotto è da questa pagina universitaria di Delft

Relazionato:

Immagini del launcher di Pegasus con collegamenti

OSC Pegasus - 44 lanci dal 1990.

Pegasus XL : da 443 kg a LEO, quindi CIRCA 100 kg all'orbita lunare.

Missione Pegasus della NASA 2014

Pagina Facebook dell'OSC

Diagramma V delta sistema interno

Da ** Wikipedia - Delta-v budget
e utilizzato anche in questo post di scambio di stack

Inizia il tuo modello mentale assumendo un percorso di volo a razzo. Un grafico velocità / altitudine vs tempo per lo Space Shuttle:

_{(fonte: aerospaceweb.org )}

I motori a hanno un migliore dei razzi. Mettiamo i motori a reazione sul nostro razzo. Il Falcon 9 emette una spinta di circa 1,1m libbre, quindi possiamo usare un GE-90 per aggiungere 120.000 libbre, raddoppiando l'accelerazione a livello del mare. Elon Musk ha dichiarato che il Falcon 9 costa circa $ 54 milioni per l'intero razzo. Il GE-90 costa circa $ 24 milioni. Ops. Abbiamo aggiunto un costo del 50% al sistema (non includendo l'integrazione o lo sviluppo di un sistema di recupero) e la spinta diminuisce rapidamente con l'altitudine.$Isp$

Usiamo invece un F-414. Costa circa $ 4 milioni e può essere utile fino a circa Mach 2 con un ingresso progettato correttamente e la velocità ci aiuta davvero a sviluppare la pressione del pistone, che alimenta lo stile del ramjet del postcombustore. Otteniamo una spinta di 26.000 libbre per soli $ 4 milioni e bruciamo più a lungo, meglio ma non stellare. Il razzo Siamo sollevamento deve ancora essere enorme, quindi non siamo che benestante ancora.

I ramjet puri presentano il dilemma del peso morto al decollo, aggiungendo altro razzo nella fase di accelerazione più lenta, quindi forse non possiamo vincere neanche lì. I ramjet superano i razzi in a circa Mach 0,5 e non possono generare una spinta completa per un po 'perché emettono aria dalla parte anteriore se aggiungono troppo carburante fino a quando la pressione del pistone è abbastanza alta.$Isp$

Quindi ... i motori ad aria respirata non generano una tonnellata di spinta per dollaro e hanno una gamma a bassa velocità. Le ali si sollevano a una velocità di circa 16: 1, quindi possiamo usare i nostri motori per accelerare lentamente e volare a 40.000 piedi e Mach 1. Questo non farà risparmiare una tonnellata di peso del razzo perché è a circa 1/25 della sua velocità finale e un minuto di trascinamento. Supponiamo di ridurre il peso del 20% e di trasportare solo 900.000 libbre.

Un 747-8 trasporta 308.000 libbre di carico e costa circa $ 350.000.000. Diciamo che i costi e la scala di carico in modo lineare, stiamo almeno guardando un lanciatore da $ 700.000.000, molto diverso da $ 54 milioni , ammortizzato sul numero di lanci, ma lo è anche il costo di sviluppo, che per il 747-8 era $ 3,7 miliardi. Ancora una volta, scalando linearmente, abbiamo bisogno di circa $ 8 miliardi per distribuire su molti lanci. SpaceX ha recentemente raccolto $ 1 miliardo da Google e Fido, non abbastanza.

C'è il dilemma di lanciare carichi utili con aeromobili ad aria respirabile. O hai bisogno di un motore jet da spinta a peso enormemente più economico, che sviluppa spinta a velocità zero, oppure torni ai razzi e stanno sviluppando tecniche di recupero come ULA e SpaceX.

Molti hanno tentato di assumere percorsi di volo più lunghi per respirare aria a velocità sempre crescenti, ma inizi a utilizzare scramjet, pre-cooler, gestione del calore e non sembra mai ridursi, esibirti su un involucro abbastanza grande o raggiungere una velocità abbastanza elevata importa comunque per l'eventuale razzo.