Foguetes como o Ariane 5 pesam centenas de toneladas, mas com cerca de 85% desse peso sendo combustível, a fração da carga útil é de apenas 3% (~ 10 a 20 toneladas).
A Virgin Galactic está construindo aviões espaciais suborbitais , principalmente para fins turísticos. Eles voam a cerca de Mach 4, muito lentos para escapar da terra.
Agora, eu me pergunto se uma espaçonave lançada pelo ar nos próximos 20 anos realisticamente poderia realmente nos levar para a lua - isto é, eles poderiam atingir velocidades de escape?
Como questão secundária, no caso de eles poderem: Seriam mais ou menos eficientes em termos de combustível do que foguetes comuns, como o Saturno V ? Quanta carga útil seria realisticamente transportável?
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Respostas:
Acredite ou não, poderíamos ter feito isso há 50 anos, se o financiamento do governo não tivesse sido retirado de um projeto no último minuto. Frustrantemente, após anos de trabalho de cientistas, engenheiros e técnicos, o projeto Boeing X-20 Dyna-Soar foi cancelado logo após o início do trabalho na nave espacial real.
Aqui está uma impressão artística do X-20:
O X-20 foi o resultado de um programa militar que visava desenvolver um avião espacial orbital a ser usado para bombardeios e reconhecimento. Foi projetado para ser lançado em órbita e permanecer por um curto período de tempo. Apesar de seu tamanho pequeno - apenas 35 pés de comprimento -, atingiria velocidades orbitais após o lançamento, em teoria. Conseguiu chegar ao Mach 18 durante os testes de planagem.
(fonte: astronautix.com )
Havia duas versões de Bomi: uma suborbital, com velocidade máxima de Mach 4, e uma orbital, com velocidade máxima de - bem, velocidade orbital. Provavelmente é o último que você está interessado. Teria um comprimento de 9 metros e uma carga útil de 34.000 kg - o suficiente para duas bombas nucleares.
Ambas as versões teriam sido lançadas em algum tipo de lançador - o veículo maior ao qual Bomi é mostrado anexado. Esse design também pode ser alterado dependendo se o voo deve ser orbital ou sub-orbital.
Bomi acabou sendo cancelado quando o financiamento foi retirado do Dyna-Soar (o X-20), que então sofreu o mesmo destino. Mas a Dyna-Soar passou pelo estágio de teste de planeio (sendo largado de um B-52) e quase chegou ao espaço. Se os recursos tivessem sido transferidos para Bomi, poderia ter sido bem-sucedido.
Bomi poderia ter escapado da órbita terrestre? Com um pouco de trabalho, poderia ter. Pense em como várias famílias de foguetes evoluíram. Diferentes tipos podem cumprir diferentes missões. O Saturno V foi o resultado final de foguetes menores, suborbitais e orbitais. Se Bomi tivesse sido desenvolvido na extensão do programa Apollo, acho muito provável que pudesse ter saído da órbita da Terra.
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Lançamento aéreo para LEO: Feito agora
Lançamento aéreo em órbita lunar - sim, mas com 20% a 25% da carga útil da LEO
Lançamento aéreo para a Lua e volta para o LEO: Sim, mas com cerca de 5% da carga útil do LEO
É fácil ignorar algumas realidades práticas ao se entusiasmar com os sistemas baseados em papel.
A proporção de massa de veículo lançado por via aérea e massa voada de retorno à base da nave-mãe não deve ser negligenciada. O tamanho da nave-mãe estabelece um limite superior para a massa do veículo espacial. Aumentos acima da massa de carga útil de aeronaves de carga pesada podem ser possíveis com, por exemplo, balões, mas isso requer alguns sistemas extremamente especializados. Observando as figuras abaixo, parece que o retorno lunar tripulado à superfície da Terra é uma expectativa irrealisticamente alta para sistemas lançados por ar. Pequenas embarcações não tripuladas para a órbita lunar são práticas.
A resposta é "sim, obviamente", pois você pode criar um lançador lunar menor do que o normalmente usado e você pode criar um meio para lançá-lo no ar. Por exemplo, o lançamento do balão pode permitir uma massa muito substancial e foi proposto em vários estudos.
A prova de existência do conceito geral vem na forma de vários veículos orbitais lançados a ar da "Orbital Sciences Corporation". Eles são usados apenas para inserção de LEO (órbita baixa da terra), mas a velocidade de escape seria alcançável, dada uma carga útil adequadamente pequena.
O material abaixo fornece exemplos do que poderia ser alcançado realisticamente com base nos pequenos lançadores de satélite LEO lançados por via aérea existentes e na proposta de 2013 da Orbital Sciences, Burt Rutan e Paul Allen, como era então em 2013.
Isso demonstra que um lançamento aéreo não insignificante poderia fornecer de 800 a 1000 libras para a órbita lunar - mais com combustíveis e sistemas de ponta, ou com 'naves-mãe' ainda maiores. Isso é desconfortavelmente menor do que você realmente deseja entregar uma pessoa à órbita lunar e vice-versa. Embora a escala seja possível, ela não parece atraente para voos lunares de retorno para várias pessoas.
As vantagens do lançamento aéreo não são o ganho de altitude, como tal, mas o ganho significativo na resistência reduzida ao ar e o pequeno ganho na velocidade. Enquanto a velocidade de lançamento do ar é uma fração menor da velocidade orbital, um lançador no solo deve adicionar a velocidade inicial enquanto suporta a massa máxima contra a gravidade. Isso é pequeno comparado às perdas de resistência do ar, mas útil. A resistência do ar reduz pela metade cerca dea cada 15.000 pés, e o arrasto está inversamente relacionado à densidade do ar. E o arrasto é proporcional à velocidade ao quadrado - portanto, se você puder começar mais devagar e mais alto, poderá ajudar significativamente. Você precisará de uma velocidade "horizontal" muito substancial para orbitar, mas, inicialmente, sair da atmosfera espessa e baixa com perdas mínimas é extremamente importante. A "nave-mãe" possui motores de asas e respiradores a ar e o combustível é barato comparado ao custo de transportá-lo para grandes altitudes e altas velocidades; portanto, um sistema de lançamento aéreo proporciona ganhos nos custos e nas capacidades dos veículos de lançamento em situações nas quais é razoavelmente possível construir uma "nave-mãe" grande o suficiente. Para pequenas cargas úteis LEO, é eminentemente viável (e usada), para pequenas cargas lunares unidirecionais é possível, mas para retorno lunar,
Aqui está um vídeo do lançamento aéreo de um XL Systems "Pegasus" . Isso mostra a ação imediatamente antes do lançamento até o esgotamento do estágio 1.
O "próximo estágio" desse recurso em maio de 2013 é mostrado aqui.
Stratolaunch e Orbital - A altura do lançamento aéreo . Como isso foi modificado por eventos mais recentes, não sei, mas isso mostrou o que estava sendo planejado em 2013, portanto é pertinente à sua pergunta.
Este lançador propôs uma carga útil de 13.500 libras à LEO.
Isso não é vasto - mas definitivamente fornece carga útil
A atribuição de V relativo delta e requisitos de combustível para missões é muito complexa para permitir respostas simplistas que abrangem mais do que exemplos específicos, mas como uma indicação realmente muito grosseira, o "delta-V" do LEO para a órbita lunar é de aproximadamente 40% dos o necessário para alcançar LEO da superfície da Terra. A tabela abaixo fornece as mudanças de velocidade necessárias para várias transições orbitais e de localização. Isso dá 3,9 km / s como o delta V necessário do LEO para a órbita lunar.
A fórmula básica para calcular a mudança de velocidade de um foguete é a (não surpreendentemente) "equação do foguete: -
V = Isp xgx ln (M2 / M1)
Isp = impulso específico do combustível
M2 = massa inicial
M1 = massa final g = constante gravitacional (~~ = 10 m / s / s)
Chamada M2 / M1 = razão de massa = MR.
Usando um modesto padrão ISP de 300 para produzir um delta-V de, digamos, 4000 m / S, é necessário um MR de cerca de 3,7 ou massa final ~ = 1 / 3,7 = 27% do total.
Portanto, cerca de 25% das 13.500 libras acima podem ser entregues à órbita lunar
= ~ 3375 libras = 1,5 toneladas
~ = 1,5 toneladas :-)
Por sua vez, isso poderia devolver cerca de 840 libras à LEO e uma quantidade menor de volta à Terra. A tabela abaixo é desta página da universidade de Delft
Relacionado:
Imagens do iniciador Pegasus com links
OSC Pegasus - 44 lançamentos desde 1990.
Pegasus XL - 443 kg para LEO, então cerca de 100 kg para órbita lunar.
Missão Pegasus da NASA 2014
Página do OSC no Facebook
Gráfico V delta do sistema interno
De ** Wikipedia - orçamento Delta-v
e também usado neste post de troca de pilhas
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Comece seu modelo mental assumindo uma rota de foguete. Um gráfico de velocidade / altitude x tempo do ônibus espacial:
(fonte: aerospaceweb.org )
Vamos usar um F-414. Custa cerca de US $ 4 milhões e pode ser útil até cerca de Mach 2 com uma entrada projetada adequadamente, e a velocidade realmente nos ajuda a desenvolver pressão de aríete, que alimenta o estilo de jato de ar de pós-combustão. Temos 26.000 libras de empuxo por apenas US $ 4 milhões e mais queima, melhor, mas não estelar. O foguete que está levantando ainda tem que ser gigantesco, então não sabemos que bem fora ainda.
Portanto, os motores que respiram ar não geram uma tonelada de empuxo por dólar e têm uma faixa de baixa velocidade. As asas levantam a uma taxa de cerca de 16: 1, para que possamos usar nossos motores para acelerar lentamente e voar para 40.000 pés e Mach 1. Isso não economiza uma tonelada de peso de foguete, porque está a cerca de 1/25 da sua velocidade final e um minuto de arrasto. Digamos que reduzimos o peso em 20% e só precisamos carregar 900.000 libras.
Um 747-8 transporta 308.000 libras de carga e custa cerca de US $ 350.000.000. Digamos que os custos e a carga escalem linearmente, estamos pelo menos olhando para um lançador de US $ 700.000.000, muito longe de US $ 54 milhões , amortizado pelo número de lançamentos, mas o mesmo ocorre com o custo de desenvolvimento, que para o 747-8 era de US $ 3.7bn. Novamente, escalando linearmente, precisamos de cerca de US $ 8 bilhões para distribuir por muitos lançamentos. A SpaceX recentemente levantou US $ 1 bilhão do Google e do Fido, não o suficiente.
Aí reside o dilema de lançar cargas úteis com aeronaves que respiram ar. Ou você precisa de um motor a jato muito mais alto e com maior peso que desenvolva o impulso em velocidade zero, ou você volta aos foguetes e técnicas de recuperação como ULA e SpaceX estão sendo desenvolvidas.
Muitos tentaram assumir rotas de vôo mais respiratórias a velocidades cada vez maiores, mas você começa a usar scramjets, pré-resfriadores, gerenciamento de calor e ele nunca parece menor, apresenta desempenho em um envelope grande o suficiente ou atinge uma velocidade suficientemente alta importa para o eventual foguete de qualquer maneira.
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