Raketslädeuppskjutning

Ett exempel på uppskjutningshjälp för raketer: NASA:s Maglifter-förslag för att ge en 500+ ton raket initial hastighet från ett berg.

En raketsläduppskjutning , även känd som markbaserad uppskjutningshjälp , katapultuppskjutningshjälp och skyrampuppskjutning , är en föreslagen metod för uppskjutning av rymdfarkoster . Med detta koncept stöds bärraketen av en österut pekande skena eller maglevbana som går upp på sidan av ett berg medan en externt applicerad kraft används för att accelerera bärraketen till en given hastighet. Att använda en externt applicerad kraft för den initiala accelerationen minskar det drivmedel som bärraketen behöver bära för att nå omloppsbana. Detta gör att bärraketen kan bära en större nyttolast och minskar kostnaderna för att ta sig upp i omloppsbana. När mängden hastighet som läggs till bärraketen av markacceleratorn blir tillräckligt stor, en enstegs-till-bana flygning med en återanvändbar bärraket möjlig.

För hypersonisk forskning i allmänhet har spår vid Holloman Air Force Base testat, från och med 2011, små raketslädar som rör sig i upp till 6453 mph (10 385 km/h; Mach 8,5).

I praktiken skulle en skyramp göra det dyraste första steget av en raket fullt återanvändbart eftersom släden återförs till sitt utgångsläge för att tankas och kan återanvändas i storleksordningen timmar efter användning. De nuvarande bärraketerna har prestandadrivna kostnader på tusentals dollar per kilo torrvikt ; sled lansering skulle syfta till att minska prestandakraven och amortera hårdvarukostnader över frekventa, upprepade lanseringar. Design för bergsbaserade slädar med lutande räls använder ofta jetmotorer eller raketer för att accelerera rymdfarkosten som är monterad på den. Elektromagnetiska metoder (som Bantam, Maglifter och StarTram ) är en annan teknik som undersöks för att accelerera en raket före uppskjutning, potentiellt skalbar till större raketmassor och hastigheter än luftuppskjutning .

Översikt över problemet

Raketer som bär med sig sitt eget drivmedel använder den stora majoriteten av det drivmedlet i början av sin resa för att accelerera det mesta av samma drivmedel, enligt raketekvationen . Till exempel rymdfärjan mer än en tredjedel av sitt bränsle bara för att nå 1 000 mph (1 600 km/h). Om den energin tillhandahölls utan (ännu, eller överhuvudtaget) att använda ett drivmedel som raketen bär, skulle dess drivmedelsbehov minska mycket, och dess nyttolast skulle kunna vara en större del av dess lyftmassa, vilket ökar dess effektivitet.

Ett exempel

raketekvationens exponentiella karaktär och högre framdrivningseffektivitet än om en raket lyfter stillastående, uppskattade en NASA Maglifter-studie att en uppskjutning på 270 m/s (600 mph) av en ELV -raket från ett berg på 3000 meters höjd peak skulle kunna öka nyttolasten till låg jordomloppsbana med 80 % jämfört med samma raket från en konventionell uppskjutningsramp . Berg av sådan höjd är tillgängliga på fastlandet i USA för den enklaste logistiken, eller närmare ekvatorn för lite mer vinst från jordens rotation . Bland andra möjligheter kan en större enstegs-till-omloppsbana (SSTO) reduceras i lyftmassa med 35 % med sådan starthjälp, och sjunka till 4 istället för 6 motorer i ett fall.

Vid en förväntad verkningsgrad nära 90 %, skulle den elektriska energiförbrukningen per uppskjutning av en 500-tons raket vara cirka 30 gigajoule (8 300 kWh) (varje kilowattimme kostar några cent till den nuvarande elkostnaden i USA ) . bortsett från eventuella ytterligare förluster i energilagring. Det är ett system med låga marginalkostnader som domineras av initiala kapitalkostnader Även om det var en fast plats, beräknades det ge en betydande nettonyttolastökning för en stor del av de varierande uppskjutningsazimuterna som behövs av olika satelliter, med raketmanövrering under det tidiga skedet av uppstigning efter lanseringen (ett alternativ till att lägga till elektrisk framdrivning för senare förändring av omloppslutningen) . Maglev guideway kostnader uppskattades till 10–20 miljoner dollar per mil i 1994 års studie, som hade förutsett årliga underhållskostnader för maglev i storleksordningen 1 % av kapitalkostnaderna.

Fördelar med uppskjutningar på hög höjd

Raketsläduppskjutning hjälper ett fordon att ta sig höjd, och förslag involverar vanligtvis banan som kröker uppför ett berg. Fördelarna med alla uppskjutningssystem som startar från höga höjder inkluderar minskat gravitationsmotstånd (kostnaden för att lyfta bränsle i en gravitationsbrunn). Den tunnare luften kommer att minska luftmotståndet och möjliggöra effektivare motorgeometrier. Raketmunstycken har olika former (expansionsförhållanden) för att maximera dragkraften vid olika lufttryck. (Även om NASA:s aerospike-motor för Lockheed Martin X-33 var designad för att ändra geometri för att förbli effektiv vid en mängd olika tryck, hade aerospike-motorn ökat vikt och komplexitet; X-33- finansiering avbröts 2001; och andra fördelar från lanseringen assist skulle finnas kvar även om aerospike-motorer nådde flygtestning).

Till exempel är luften 39% tunnare på 2500 meter. Den mer effektiva raketplymens geometri och den minskade luftfriktionen gör att motorn kan bli 5 % effektivare per förbränd mängd bränsle.

En annan fördel med sjösättningar på hög höjd är att det eliminerar behovet av att gasa tillbaka motorn när max Q- gränsen uppnås. Raketer som skjuts upp i tjock atmosfär kan gå så snabbt att luftmotstånd kan orsaka strukturella skador. Motorerna stryps tillbaka när max Q uppnås, tills raketen är tillräckligt hög för att de kan återuppta full effekt. Atlas V 551 ger ett exempel på detta. Den når sitt max Q vid 30 000 fot. Motorn stryps tillbaka till 60 % dragkraft i 30 sekunder. Denna minskade acceleration ökar tyngdkraften som raketen måste övervinna. Dessutom är rymdfarkostsmotorer som rör max Q mer komplexa eftersom de måste strypas under uppskjutning.

En uppskjutning från hög höjd behöver inte gasa tillbaka vid max Q eftersom den startar ovanför den tjockaste delen av jordens atmosfär.

Debora A. Grant och James L. Rand skrev i "The Balloon Assisted Launch System – A Heavy Lift Balloon": "Det fastställdes för en tid sedan att en markuppskjuten raket som kan nå 20 km skulle kunna nå en höjd över havet på nästan 100 km om den sjösattes från 20 km." De föreslår att små raketer lyfts över större delen av atmosfären med ballong för att undvika problemen som diskuterats ovan.

Kompatibilitet med återanvändbara bärraketer

Raketslädar vid testplatsen i China Lake har nått Mach 4 medan de bär 60 000 kg massor. ^{[ citat behövs ]} En slädebana som gav en Mach 2 eller högre starthjälp kunde minska bränslet till omloppsbana med 40 % eller mer, samtidigt som det hjälper till att motverka viktstraffet när man siktar på att göra en helt återanvändbar bärraket . Vinklad i 55° mot vertikal, kan ett spår på ett högt berg tillåta en enda etapp att kretsa kring återanvändbara fordon utan ny teknik.

Raketslädeuppskjutningar i fiktion

Robert A. Heinlein använde en lunar maglev launcher i sin 1966 roman The Moon is a Harsh Mistress . En på jorden byggdes i slutet av romanen.
Dean Ing använde ett liknande system i sin roman The Big Lifters från 1988 .
Fireball XL5 lanserades på en släde från havsytan.
Silver Tower har en raketuppskjutningssläde, som används för att hjälpa till vid starten av det hypersoniska rymdplanet America .
Filmversionen av When Worlds Collide från 1951 använde en raketsläde för att skjuta upp arken, även om boken inte gjorde det.
Borderlands: Pre-Sequel har en raketsläde i sin första sekvens.
Permission To Die (grafisk roman) i en original James Bond-berättelse av Mike Grell, en slädedriven raket spelar ett avgörande inslag i handlingen.
Interstella 5555 har Crescendolls-bandet som lämnar jorden med hjälp av en raketsläde för att hjälpa till med start.
Ace Combat 5: The Unsung War är ett videospel som innehåller ett uppdrag som kräver att en Rocket Sled-plats försvaras under en uppskjutning.
Mobile Suit Gundam: Chars motattack visar att en raketsläde användes för att hjälpa den civila rymdfärjans start.
Filmen Tomorrowland från 2015 skildrar en raketsläde med vertikal uppskjutning som används i en civil "starport" när huvudpersonen utforskar den titulära staden.

Se även

externa länkar

En webbplats som diskuterar "Skyramps": http://www.g2mil.com/skyramp.htm
"A Light Gas Gun Approach to Achieving 'First Stage Acceleration' for the Highly Reusable Space Transportation System" 1997 M. Frank Rose, R .M. Jenkins, MR Brown, Space Power Institute, Auburn University, AL, 36849
Länk till Lockheeds förslag för en slädebaserad återanvändbar bärraket. http://www.astronautix.com/lvs/recstics.htm
Europe's Phoenix: Test Craft sätter scenen för återanvändbar raket http://www.space.com/missionlaunches/europe_phoenix_020621.html
Holloman Air Force Base: http://www.holloman.af.mil/photos/index.asp?galleryID=2718
NASA Closed End Launch Tube-förslag för pneumatiska raketförstärkningar: https://ntrs.nasa.gov/citations/20010027422
Beskriver raketeffektivitet vid olika lufttryck och aerospikemotorer: http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/compensation.shtml