Темпування повітряного запуску

Ідею запуску космічних апаратів з авіаносця пропонується як спосіб радикально полегшити доступ людства до простору. Тим не менш, тільки один запуск автомобіля використовує цей принцип. Про те, що вигідно і які труднощі створюють повітря, це повідомлення.

Історія.
Місільна авіація
Авіаційний запуск був дуже вдало використаний в Сполучених Штатах після війни для вивчення польоту на високих швидкостях і висотах. Белл X-1, який вперше в світі подолав швидкість звуку, запущену з суспензії на бомбардувальнику Б-29:


Рішення було дуже логічно - використання ракетних двигунів означалося невеликим постачанням палива, яке не буде достатньо для повного запуску з землі. Модель X-1 був розроблений - X-1A перетнув кордон у двох Mach і навчався поведінці літака на високих висотах (до 27 км). Для подальших досліджень використовуються модифікації X-1B,C,D,E.
Наступний великий крок вперед був ракетним літаком X-15. У Б-52 бомбардувальника:


Потужний двигун розвивав тягу 250 кілограмів (71% від тяги ракетного двигуна Redstone), може досягати швидкості 7000 км / год і висоти 80 км. Здавалося б, У.С. має два дороги на простір – швидкий і брудний один на Меркурій капсули, Redstone і Atlas ракети, а більш красивий на X-15, X-20 і наступних проектів. Однак програма «літок» була в тіні космічних рейсів, і, незважаючи на успішні досягнення цілей, не отримала такого блискучого розвитку, як Меркурій – Близнюки – лінія Аполлона.


Неіл Армстронг. Він кинув X-15, але залишив проект вчасно.

Балістичні ракети
Альтернативним підходом був розвиток ракет-носіїв. У пізній зв’язки, коли балістичні ракети зайняли години, щоб підготуватися до запуску, вони втратили до стратегічних бомбардувальників у часі гнучкості та реакції на оповіщення. Бомби можуть пограти за години на кордонах країни противника, і, після того, як командувати, могли б страйкувати десятки хвилин, або також можна швидко знімати. І балістичні ракети мали вирішальну перевагу не перехоплених. Ідея поєднання переваг двох систем ароса - розробка балістичного ракети для стратегічного бомбардувальника. Як народився проект GAM-87 Skybolt:


19 грудня 1962 року відбувся перший тестовий забіг у 1961 році. У той же час Військово-Морський флот отримав балістичні ракети для підводних човнів Polaris, які могли б «брендувати» під водою протягом місяця. У.С. Повітряна сила розробляла мінотману твердопаливну ракету, яка була порівняна з Skybolt, але ракета стояв у шахті, готовому запустити, що було набагато зручніше. Проект був закритий.
24 жовтня 1974 р. ракета Minuteman III була випущена в якості експерименту з вантажної бухти транспортера C-5.


Тест був успішним, але військові пилки не потрібно для такої системи, і проект був вимкнений.

Радянський Спіраль
У СРСР був однозначний проект, але надзвичайно цікавим:


Система літака гіперсонічний прискорювач і орбітальний літак було розпочато з проходу, набирати висоту до 30 км і прискорити до 6М (6700 км / год). Потім орбітальні літаки, разом з верхньою стадією на фторіну паливної пари / водню розтоплюється і прискорюється самостійно перед вступом на орбіту. Проект був запущений в 1964 році і офіційно закритий в 1969 році (хоча орбітальна літака була «підземним» тестером майбутніх технологій «Бурань». Найсумніша річ - про це нижче, що бустер літак не був побудований і протестований.
Я рекомендую читати далі на сайті Buran.ru.

Сучасність
В даний час є один пусковий автомобіль, два завершені проекти підводного літака і моделі для тестування гіпертонічних двигунів. Розглянемо докладніше:

ФНЗ Пегас


Перший запуск - 1990, загальний 42 запускає, 3 збої, 2 частковий успіх (або трохи нижче необхідного), 443 кг на низькій орбіті. В якості авіаносця використовується модифікований пасажирський літак L-1011. Сепарація з авіаперевізника виконана на висоті 12 кілометрів і швидкості не вище 0.95M (1000 км / год).

КосметикаСигдаО


Запуск повітряних суден. Для участі в змаганнях Ansari X-Prize було розроблено 17 рейсів у 2003-2004 рр., з яких останні три були суборбітальні рейси на висоту близько 100 км. Незважаючи на оптимістичні обіцянки «близько 3000 людей зможуть літати в космос в найближчі 5 років», проект був фактично зупинений після перемоги X-Prize, а протягом десяти років не протікають туристів на суборбітальних траєкторіях.

КосметикаShipTwo


Запуск повітряних суден. SpaceShipOne вже десять років тому. В даний час є тестові рейси, максимальна досягнута висота за лютий 2014 року становить 23 км.

Х-43, Х-51
Неманентні транспортні засоби для тестування гіпертонічних двигунів.


X-43 був розроблений як масштабна модель майбутнього літака X-30. Він зробив три рейси. Перша в червні 2001 р. закінчилася відмовою через помилки в розрахунках, які привели до втрати стабілізації верхнього етапу. Друга, в березні 2004 року, була успішно досягнута швидкість 6.83M. Третій рейс пройшов у листопаді 2004 року і досягла швидкості 9.6M за 12 секунд.


X-51 був розроблений для повільних рейсів (~5M). Він зробив чотири рейси - порівняно успішний перший в травні 2010 (200 запланованих 300 секунд на 5M), два невдалих, і повністю успішні 210 секунд на 5M, як заплановані) в травні 2013 року.

Розумні проекти
Також нереальні проекти: MAKS, HOTOL, Burlak, Vehra, AKS Tupolev-Antonov, Рейс, Stratolaunch, S3.

Розрахунок прибутковості повітряного старту
Pegasus надає нам дуже зручну можливість визначити ступінь прибутковості повітряного запуску. Справа в тому, що Minotaur I має як третій, так і четвертий етап, другий і третій стадії Pegasus, відображає однакове навантаження, але починається з землі. Порівняння мас, здається, помітно помітно на користь Pegasus - пускової ракети зважає 23 тонн, а земля - 36 тонн. Однак для того, щоб повністю порівняти ці ракети-носіїв, необхідно розрахувати запас характерної швидкості, наданої ракетними етапами. На матеріалі Енциклопедія Астронаутіка (дані для Pegasus-XL, дані для Minotaur I) були розраховані запаси характерних кроків швидкості для того ж навантаження:


Документ з розрахунками в Google Docs
В результаті було дуже цікавим - за рахунок запуску повітря, зберігається 12.6 відсотків характерної швидкості. З одного боку, це досить помітна вигода. З іншого боку, небагато викликати вибухобезпечне зростання повітряних систем.
Зверніть увагу на гіпотетичний порівняння з спіраль. Якщо Pegasus був на літаку Spirali, поділ відбувався на швидкості ~1800 м / с і висоти 30 км, що врятував принаймні 2000 м / с характерної швидкості. Тим самим принципом є порівняння з Мінотауром. Повідомляємо, що значно зросла вигода. Займіть висновок, що перевага запуску повітря визначається авіаперевізником - більша швидкість і висота поділу, чим вище перевага.

Загальна причина переваг і недоліків запуску повітря
Невинності
Зменшення втрат гравітаціїй Чим вище початкова швидкість, тим менший початковий кут нахилу ракети. Гравітаційні втрати вважаються невід'ємною функцією кута кроку, тому менший крок до горизонту, менша втрата.


Графік кута моделі. Територія криволінійної трапеції (фарбована в червоний) - це гравітаційні втрати.

Зменшення втрат на аеродинамічний перетягуванняй Знижується тиск на висоту:


На висоті 12 км, де починається Pegasus, тиск приблизно в 5 разів менше, ніж на рівні моря (~200 мілібрів). На висоті 30 км - вже сто разів менше (~10 мілібрів).

Двигун струменя повітря має більш високий специфічний імпульсй Оскільки окислювач приймається «безкоштовно» з навколишнього повітря, його не потрібно перевозити з вами, що збільшує специфічний імпульс системи через повітряний літак.

Можливість використання існуючої інфраструктурий Система запуску повітря може використовувати наявні аеродроми без необхідності запуску. Але системи підготовки до запуску (посольно-експертний комплекс, склади паливних компонентів, споруди контролю польоту) все ще потрібно будувати.

Можливість запуску з правої висотий Якщо Авіаперевізник має значний діапазон, ви можете почати з нижньої широти, щоб збільшити вантажопідйомність або зрушити до потрібної широти, щоб створити бажану нахил орбіти.

Дефіцити

Дуже бідна масштабованістьй Ракета, яка веде до LEO 443 кг, зважує комфортний 23 тонн, який без проблем можна прикріпити / вішати / покласти на літак. Проте ракети, які кладуть принаймні 2 тонн на орбіту, починають зважати 100-200 тонн, які близькі до ліміту несучої здатності існуючих літаків: підйомники An-124 120 тонн, An-225 - 247 тонн, але це в єдиний екземпляр, і новий літак практично неможливо побудувати. Boeing 747-8F — 140 тонн, Lockheed C-5 — 122 тонн, Airbus A380F — 148 тонн. Для важчих ракет необхідно розробити нові літаки, які будуть дорогими, складними і моностройними.

Рідке паливо вимагає модифікації авіаперевізникай Кріогенні компоненти випаровуються протягом тривалого часу зльоту і сходження, тому потрібно мати запас компонентів на носії. Особливо погано з рідким воднем, дуже активно випаровується, потрібно буде здійснити великий запас.

Проблеми структурної міцності платного навантаження та запуску транспортного засобуй На заході супутники часто призначені з вимогою витримати тільки осьові перевантаження, а ще горизонтальні збори (при те, що супутник лежить на боці) неприпустимо для них. Наприклад, на космодрому Куру, ракета Союз береться горизонтально без корисного навантаження, надходить в стартовий комплекс і прикріплюємо навантаження вже там. Що стосується повітряних суден, навіть зльоту створять комбінований осьовий / бічний перевантаження. Я не говорю про те, що в нестійкій обстановці, так звані «повітряні риси» можуть серйозно погладити комплекс. Ракети перевізника також не рахували на рейси «на боці» в заправленому стані, напевно, немає існуючих ракет на рідкому паливі не просто зануритися в вантажну люку і кинути в потік для запуску. Буде потрібно зробити нові ракети, більш міцними, і це зайва вага і втрата ефективності.

Необхідність розробки потужних гіперсонічних двигунівй Так як ефективний перевізник є швидким перевізником, звичайні турбоджентні двигуни погано підходять. L-1011 дає лише 4% висоти і 3% швидкості для Pegasus. Але потужні нові гіперсонічні двигуни знаходяться на межі сучасної науки, такі не було зроблено. Тому вони будуть дорогі і вимагають багато часу і грошей для розвитку.

Висновок
Аерокосмічні системи можуть бути дуже ефективними засобами доставки вантажів на орбіту. Але тільки якщо ці вантажі невеликі (попередньо не більше п'яти тонн, якщо ми прогнозуємо прогрес), і перевізник є гіперсонічним. Атемпти для створення літаючих монстрів, таких як близнюка An-225 з двадцятьма двигунами або деякими іншими супер-heavy прикладом перемоги технології над загальним почуттям є мертвим кінець на сучасному рівні наших знань.

Джерело: habrahabr.ru/post/214335/