क्या वायु-प्रक्षेपित अंतरिक्ष यान बचकर निकल सकते हैं?

Question

एरियन 5 जैसे रॉकेटों का वजन सैकड़ों टन होता है, लेकिन उस वजन का लगभग 85% ईंधन होने के कारण, पेलोड अंश केवल 3% (~ 10-20 टन) होता है।

वर्जिन गेलेक्टिक उप-अंतरिक्षीय विमानों का निर्माण कर रहा है , जो ज्यादातर पर्यटन उद्देश्यों के लिए हैं। वे मच 4 के बारे में उड़ते हैं, जो पृथ्वी से बचने के लिए बहुत धीमी है।

अब, मुझे आश्चर्य है कि अगर अगले 20 वर्षों में एक हवाई-लॉन्च किया गया अंतरिक्ष यान वास्तविक रूप से वास्तव में हमें चंद्रमा तक उड़ सकता है - अर्थात, क्या वे पलायन वेगों तक पहुंच सकते हैं?

जैसा कि वे कर सकते हैं पक्ष के प्रश्न में: क्या वे मानक रॉकेट जैसे कि शनि V से कम या ज्यादा ईंधन कुशल होंगे ? वास्तविक रूप से परिवहन के लिए कितना पेलोड होगा?

Comments

स्टैक एक्सचेंज स्पेस एक्सप्लोरेशन साइट पर इस प्रश्न को पूछना या इसे स्थानांतरित करना बेहतर हो सकता है; यह लॉन्च वाहनों और अंतरिक्ष शिल्प से संबंधित है।

— फ्रेड

@ फ़्रेड ओह मुझे इस एसई के बारे में पता नहीं था जो अभी भी बीटा में है। मैं उदाहरण के लिए अंतरिक्ष अन्वेषण, इंजीनियरिंग और भौतिकी के बीच बहुत अधिक ओवरलैप देखता हूं। व्यक्तिगत रूप से मैं इसे यहां छोड़ना पसंद करूंगा जहां यह विषय पर भी है।

— 21

ट्रिलरियन - मैंने एक प्रश्न के साथ ऐसा ही किया है।

— HDE 226868

what-if.xkcd.com/58 कक्षा में जाना मुश्किल नहीं है क्योंकि यह बहुत ऊपर है। यह मुश्किल है क्योंकि आपको बहुत तेजी से बग़ल में जाना है। पंखों के साथ ऊंची उड़ान भरना वास्तव में आपकी मदद नहीं करता है।

— एंडोलिथ

@endolith मुझे भी ऐसा लगता है। यह ज्यादा मदद नहीं करेगा। लेकिन फिर भी अगर यह केवल थोड़ी मदद करता है, तो कभी-कभी लोग ऐसा करेंगे। हवाई जहाज को कुशल, पुन: प्रयोज्य प्रथम इंजन-चरण के रूप में देखा जा सकता है। यह मेरे द्वारा लिए गए पक्ष-प्रश्न को स्पर्श करता है।

— 19

Answer 1

मानो या न मानो, हम यह 50 साल पहले कर सकते थे, अगर अंतिम समय में एक परियोजना से सरकारी धन खींच नहीं लिया गया था। निराशा की बात है कि वैज्ञानिकों, इंजीनियरों और तकनीशियनों के काम के वर्षों के बाद, बोइंग एक्स -20 डायना-सोर परियोजना को वास्तविक अंतरिक्ष यान पर काम शुरू होने के ठीक बाद रद्द कर दिया गया था।

यहाँ X-20 की एक कलाकार की छाप है:

X-20 एक सैन्य कार्यक्रम का परिणाम था जिसका उद्देश्य बमबारी और टोही के लिए एक कक्षीय अंतरिक्ष यान विकसित करना था। इसे कक्षा में लॉन्च करने और थोड़ी देर के लिए वहाँ रहने के लिए डिज़ाइन किया गया था। अपने छोटे आकार के बावजूद - केवल 35 फीट लंबा - यह सिद्धांत रूप में लॉन्च के बाद कक्षीय गति तक पहुंच जाएगा। यह अभ्यास ग्लाइड परीक्षणों के दौरान मच 18 तक पहुंचने में कामयाब रहा।

X-20 को हवा में लॉन्च करने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया था, बल्कि टाइटन III मिसाइल के शीर्ष पर लॉन्च किया गया था। हालांकि , एक समान डिजाइन - एक्स -20 के लिए एक अग्रदूत, यदि आप करेंगे - बोमी को इस तरह लॉन्च करने के लिए डिज़ाइन किया गया था । यहाँ$^1$ Bomi (बाईं ओर), X-20 (सबसे दाईं ओर दो), और Robo, एक संबंधित उत्पाद की तुलना है:

_{(स्रोत: astronautix.com )}

बोमी के दो संस्करण थे: एक सबऑर्बिटल एक, जिसमें मच 4 की अधिकतम गति, और एक कक्षीय एक, जिसकी अधिकतम गति - अच्छी तरह से, कक्षीय वेग है। उत्तरार्द्ध शायद वह है जिसमें आप रुचि रखते हैं। यह 23 फीट लंबा होता और 34,000 किलोग्राम का पेलोड होता - जो दो परमाणु बमों के लिए पर्याप्त था।

दोनों संस्करणों को किसी प्रकार के लॉन्चर पर लॉन्च किया गया होगा - बड़ा वाहन जिसे बोमी से संलग्न दिखाया गया है। इस डिज़ाइन को इस आधार पर भी बदला जा सकता है कि उड़ान को कक्षीय या उप-कक्षीय होना था या नहीं।

अंततः बोमे को रद्द कर दिया गया क्योंकि डायना-सोर (एक्स -20) के लिए धन खींच लिया गया था , जिसे बाद में उसी भाग्य का सामना करना पड़ा। लेकिन डायना-सोर ने ग्लाइड-टेस्ट चरण (बी -52 से गिराए जाने) को अतीत में मिला, और लगभग वास्तव में इसे अंतरिक्ष में बनाया। अगर संसाधनों को बोमी में ले जाया जाता, तो यह सफल हो सकता था।

क्या बोमी पृथ्वी की कक्षा से बच सकते थे? थोड़े काम के साथ, यह हो सकता था। सोचो कि विभिन्न रॉकेट परिवार कैसे विकसित हुए हैं। विभिन्न प्रकार विभिन्न मिशनों को पूरा कर सकते हैं। शनि V छोटे, उप-कक्षीय और कक्षीय रॉकेट का अंतिम परिणाम था। यदि बोमी को अपोलो कार्यक्रम की सीमा तक विकसित किया गया था, तो मुझे लगता है कि यह बहुत संभावना है कि यह पृथ्वी की कक्षा से बाहर हो सकता है।

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$^1$यह छवि सार्वजनिक डोमेन में दिखाई देती है, जैसा कि यहाँ कहा गया है ।

Comments

इस बहुत अच्छे उत्तर के लिए धन्यवाद। क्या हमें कोई कारण पता है कि इन परियोजनाओं को क्यों रोका गया था? क्या राजनीतिक या प्रमुख इंजीनियरिंग समस्याएं थीं?

— 21

@Trilarion यह यह अच्छी तरह से बताते हैं। यह कई लोगों द्वारा सोचा गया था कि कार्यक्रम का कोई निश्चित लक्ष्य नहीं था।

— HDE 226868

Answer 2

अब, मुझे आश्चर्य है कि अगर अगले 20 वर्षों में एक हवाई-लॉन्च किया गया अंतरिक्ष यान वास्तविक रूप से वास्तव में हमें चंद्रमा तक उड़ सकता है - अर्थात, क्या वे पलायन वेगों तक पहुंच सकते हैं?

• LEO के लिए हवाई लॉन्च: अब हो गया

• चंद्र कक्षा में वायु प्रक्षेपण - हाँ, लेकिन LEO पेलोड के 20% -25% पर

• चंद्रमा के लिए वायु प्रक्षेपण और LEO पर वापस: हां, लेकिन LEO पेलोड के लगभग 5% के साथ

• कागज़ आधारित प्रणालियों पर अति उत्साही होने पर कुछ व्यावहारिक वास्तविकताओं को अनदेखा करना आसान है।
  एयर-लॉन्च किए गए वाहन द्रव्यमान के पंखों वाले रिटर्न-टू-बेस मदरशिप मास के अनुपात को अनदेखा नहीं किया जाना चाहिए। Mothership आकार अंतरिक्ष-वाहन द्रव्यमान के लिए एक ऊपरी सीमा निर्धारित करता है। उदाहरण के गुब्बारे के साथ भारी लिफ्ट विमान पेलोड जनता के ऊपर बढ़ सकता है, लेकिन यह कुछ अत्यंत विशिष्ट प्रणालियों के लिए कहता है। नीचे दिए गए आंकड़ों को देखकर ऐसा लगता है कि पृथ्वी की सतह पर मानवयुक्त चंद्र वापसी हवा में प्रक्षेपित प्रणालियों के लिए अनुचित रूप से उच्च उम्मीद है। चंद्र की कक्षा में छोटे मानव रहित शिल्प व्यावहारिक हैं।

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इसका उत्तर "हाँ, जाहिर है" जैसा कि आप आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले छोटे एर-लॉन्चर लॉन्चर का निर्माण कर सकते हैं और आप इसे एयर-लॉन्च करने का एक साधन बना सकते हैं। उदाहरण के लिए, गुब्बारा लॉन्च बहुत व्यापक द्रव्यमान की अनुमति दे सकता है और विभिन्न अध्ययनों में प्रस्तावित किया गया है।

सामान्य अवधारणा का अस्तित्व प्रमाण कई "ऑर्बिटल साइंसेज कॉरपोरेशन" के रूप में आता है, जो हवा में लॉन्च किए गए ऑर्बिटल व्हीकल हैं। ये केवल LEO (कम पृथ्वी की कक्षा) सम्मिलन के लिए उपयोग किए जाते हैं लेकिन भागने के वेग को एक उपयुक्त छोटे पेलोड के रूप में प्राप्त किया जाएगा।

नीचे दी गई सामग्री उदाहरण देती है कि मौजूदा छोटे एयर-लॉन्च किए गए LEO उपग्रह लांचर के आधार पर वास्तविक रूप से क्या हासिल किया जा सकता है और जैसा कि तब 2013 में ऑर्बिटल साइंसेज, बर्ट रुतान और पॉल एलन से प्रस्ताव था।

यह दर्शाता है कि एक नगण्य वायु प्रक्षेपण चंद्र कक्षा में लगभग 800 से 1000 पाउंड पहुंचा सकता है - जो कि प्रमुख बढ़त वाले ईंधन और प्रणालियों या इससे भी बड़े 'मदरशिप' के साथ है। यह असुविधाजनक रूप से छोटा है कि आप वास्तविक रूप से किसी व्यक्ति को चंद्र की कक्षा में वापस भेजना चाहते हैं। जबकि स्केलिंग संभव है यह बहु-व्यक्ति चंद्र वापसी उड़ानों के लिए आकर्षक नहीं लग रहा है।

एरियल लॉन्च के फायदे ऊंचाई के रूप में नहीं हैं, लेकिन कम हवा प्रतिरोध में महत्वपूर्ण लाभ, और वेग में छोटे लाभ। जबकि वायु प्रक्षेपण वेग कक्षीय वेग का मामूली अंश है, ग्राउंड आधारित लांचर को गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध अधिकतम द्रव्यमान का समर्थन करते हुए प्रारंभिक वेग जोड़ना चाहिए। यह वायु प्रतिरोध नुकसान की तुलना में मामूली है, लेकिन उपयोगी है। वायु प्रतिरोध लगभग आधा हो जाता हैप्रत्येक 15,000 फीट, और ड्रैग वायु घनत्व से विपरीत है। और खींचें वेग के अनुपात में हैं - इसलिए यदि आप धीमी और अधिक शुरू कर सकते हैं तो यह काफी मदद कर सकता है। आपको अंततः कक्षा में बहुत "क्षैतिज" वेग की आवश्यकता होगी, लेकिन शुरू में, न्यूनतम नुकसान के साथ मोटे निचले वातावरण से बाहर निकलना बेहद महत्वपूर्ण है। "मदरशिप" में पंख और वायु श्वास इंजन हैं और ईंधन इसे उच्च ऊंचाई और उच्च वेगों तक ले जाने की लागत की तुलना में सस्ता है, इसलिए एक हवाई लॉन्च प्रणाली उन स्थितियों में प्रक्षेपण वाहन की लागत और क्षमताओं में लाभ प्रदान करती है जहां यह उचित रूप से निर्माण करना संभव है एक बड़ी पर्याप्त "मातृशक्ति"। छोटे LEO पेलोड के लिए यह काफी व्यवहार्य है (और उपयोग किया जाता है), बहुत छोटे से एक तरह से चंद्र पेलोड के लिए इसके योग्य है, लेकिन चंद्र वापसी के लिए,

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यहां एक एक्सएल सिस्टम "पेगासस" के वायु प्रक्षेपण का एक वीडियो है । यह चरण 1 बर्नआउट तक लॉन्च से ठीक पहले की कार्रवाई को दर्शाता है।

मई 2013 तक इस क्षमता का "अगला चरण" यहां दिखाया गया है।
स्ट्रैटोलांच और ऑर्बिटल - हाइट ऑफ़ एयर लॉन्च । यह कैसे अधिक हाल की घटनाओं द्वारा संशोधित किया गया है मुझे नहीं पता है लेकिन यह दिखाया गया है कि 2013 में जो योजना बनाई जा रही थी वह आपके प्रश्न के अनुरूप है।

इस लांचर ने LEO को 13,500 पाउंड पेलोड का प्रस्ताव दिया।
यह विशाल नहीं है - लेकिन निश्चित रूप से उपयोगी पेलोड प्रदान करता है

मिशनों के सापेक्ष डेल्टा V और ईंधन की आवश्यकताओं का असाइनमेंट, सरल उदाहरणों की अनुमति देने के लिए बहुत जटिल है जो विशिष्ट उदाहरणों से अधिक को कवर करते हैं, लेकिन वास्तव में मोटे तौर पर संकेत के रूप में, LEO से चंद्र कक्षा तक "डेल्टा-वी" लगभग 40% है। पृथ्वी की सतह से LEO तक पहुँचने के लिए आवश्यक है। नीचे दी गई तालिका विभिन्न कक्षीय और स्थान परिवर्तन के लिए आवश्यक वेग परिवर्तन प्रदान करती है। यह लेओ से चंद्र की कक्षा में आवश्यक डेल्टा V के रूप में 3.9 किमी / सेकंड देता है।

रॉकेट के लिए वेग परिवर्तन की गणना करने का मूल सूत्र है (आश्चर्य की बात नहीं) "रॉकेट समीकरण: -

• V = Isp xgx ln (M2 / M1)

  Isp = ईंधन का विशिष्ट आवेग
  M2 = प्रारंभ द्रव्यमान
  M1 = अंत द्रव्यमान g = गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक (~~ = 10 m / s / s)

एम 2 / एम 1 = मास अनुपात = एमआर को बुलाओ।

4000 के एम / एस कहने के डेल्टा-वी का उत्पादन करने के लिए 300 के आधुनिक मानकों ईएसपी द्वारा एक मामूली का उपयोग करके लगभग 3.7 या अंतिम द्रव्यमान के एमआर की आवश्यकता है ~ = 1 / 3.7 = 27% कुल।
अतः उपरोक्त 13,500 पाउंड में से 25% को चंद्र कक्षा
= ~ 3375 पाउंड = 1.5 टन
~ 1.5 टन :-) तक पहुंचाया जा सकता है।

बदले में यह LEO को लगभग 840 पाउंड और धरती पर कम राशि वापस कर सकता है। नीचे दी गई तालिका इस डेल्फ़्ट विश्वविद्यालय पृष्ठ से है

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सम्बंधित:

पेगासस लांचर लिंक के साथ चित्र

OSC पेगासस - 1990 के बाद से 44 लॉन्च।

पेगासस एक्स्ट्रा लार्ज - 443 किग्रा तक लियो तो 100 किग्रा से लेकर चंद्र कक्षा तक।

नासा पेगासस मिशन 2014

OSC फेसबुक पेज

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आंतरिक प्रणाली डेल्टा V चार्ट

से ** विकिपीडिया - डेल्टा-वी बजट
और भी इस्तेमाल किया इस ढेर विनिमय पोस्ट

Comments

"वायु घनत्व में परिवर्तन के व्युत्क्रम वर्ग के साथ ड्रैग घटता है।" "वायु घनत्व में परिवर्तन के विपरीत आनुपातिक" को बदलने की आवश्यकता है। गतिशील दबाव * खींचें गुणांक = खींचें और क्ष केवल एक रैखिक शब्द के रूप में घनत्व है।

— user823629

@ user823629 धन्यवाद वहां कैसे पहुंचा? :-) मैं देख सकता हूँ कि मेरा क्या मतलब है और यह वह नहीं है जो मैंने लिखा है। हाँ। क्लासिक F = 0.5 x Rho x Cd x A x V ^ 2 के रूप में रैखिक को उलटा करें।

— रसेल मैकमोहन

Answer 3

रॉकेट उड़ान पथ मानकर अपने मानसिक मॉडल की शुरुआत करें। स्पेस शटल के लिए एक वेग / ऊंचाई बनाम समय चार्ट:

_{(स्रोत: aerospaceweb.org )}

जेट इंजन बेहतर है $Isp$रॉकेट की तुलना में। चलो हमारे रॉकेट पर जेट इंजन लगाते हैं। फाल्कन 9 के बारे में 1.1 m lbs जोर देता है, इसलिए हम समुद्र तल पर त्वरण को दोगुना करते हुए, 120,000 पाउंड जोड़ने के लिए GE-90 का उपयोग कर सकते हैं। एलोन मस्क ने कहा कि फाल्कन 9 की कीमत पूरे रॉकेट के लिए लगभग $ 54m है। GE-90 की कीमत लगभग $ 24m है। उफ़। हमने सिस्टम में 50% लागत जोड़ी (एकीकरण को शामिल नहीं किया या एक रिकवरी सिस्टम विकसित करना) और जोर तेजी के साथ गिरता है।

इसके बजाय F-414 का उपयोग करें। इसकी लागत लगभग $ 4m है और यह ठीक से डिज़ाइन किए गए इनलेट के साथ Mach 2 के बारे में उपयोगी हो सकता है, और यह गति वास्तव में हमें रैम प्रेशर को विकसित करने में मदद करती है, जो कि afterburner ramjet शैली को खिलाती है। हम $ 4m के लिए 26,000lbs का थ्रस्ट प्राप्त करते हैं और लंबे समय तक जलते हैं, बेहतर है लेकिन तारकीय नहीं। रॉकेट हम उठाने अभी भी, विशाल होने के लिए तो हम नहीं कर रहे हैं है कि अभी तक अच्छी तरह से बंद।

शुद्ध रैमजेट्स, लिफ्टऑफ़ में मृत वजन की दुविधा को प्रस्तुत करते हैं, जो त्वरण के सबसे धीमी चरण में अधिक रॉकेट जोड़ते हैं, इसलिए शायद हम वहां भी नहीं जीत सकते। रामजेट केवल रॉकेटों से आगे निकल गए$Isp$ मच 0.5 के बारे में और थोड़ी देर के लिए पूर्ण जोर नहीं पैदा कर सकता है क्योंकि वे सामने से हवा उड़ा देंगे यदि वे बहुत अधिक ईंधन जोड़ते हैं जब तक कि राम का दबाव काफी अधिक न हो।

तो .. वायु-श्वास इंजन प्रति टन का एक टन उत्पन्न नहीं करते हैं और कम गति सीमा रखते हैं। पंख लगभग 16: 1 की दर से उठते हैं, इसलिए हम अपने इंजन का उपयोग धीरे-धीरे तेज करने और 40,000 फीट और मच 1 पर उड़ान भरने के लिए कर सकते हैं। इससे रॉकेट वजन में एक टन की बचत नहीं होगी क्योंकि यह अंतिम वेग के लगभग 1/25 वें स्थान पर है। और एक मिनट खींचें। मान लीजिए कि हमने 20% वजन घटाया है और केवल 900,000lb ले जाने की आवश्यकता है।

747-8 में 308,000lb का माल आता है और इसकी कीमत लगभग $ 350,000,000 है। चलो का कहना है कि लागत और माल पैमाने रैखिक है, हम कम से कम एक को देख रहे हैं कि $ , 700,000,000 लांचर एक दूर से रो $ 54m, लॉन्च की संख्या से अधिक परिशोधित, लेकिन इतना विकास लागत, जो 747-8 के लिए किया गया है $ 3.7bn। फिर से, रैखिक रूप से स्केलिंग करते हुए, हमें बहुत सारे लॉन्च में फैलने के लिए लगभग $ 8bn की आवश्यकता होती है । स्पेसएक्स ने हाल ही में Google और फ़िडो से $ 1 बिलियन उठाया , काफी नहीं।

एयर-ब्रीदिंग एयरक्राफ्ट के साथ पेलोड लॉन्च करने की दुविधा है। या तो आपको एक बहुत सस्ते, उच्च थ्रस्ट-टू-वेट जेट इंजन की आवश्यकता होती है जो शून्य वेग पर जोर विकसित करता है, या आप रॉकेट और रिकवरी तकनीकों जैसे उल और स्पेसएक्स में वापस जा रहे हैं।

कई लोगों ने बढ़ती गति से लंबे समय तक हवा में उड़ने वाले उड़ान पथों को संभालने की कोशिश की है, लेकिन आप स्क्रैमजेट, प्री-कूलर, गर्मी प्रबंधन का उपयोग करना शुरू कर देते हैं, और यह कभी छोटा नहीं लगता है, एक बड़े पर्याप्त लिफाफे पर प्रदर्शन करता है, या एक उच्च गति तक पहुंचता है। वैसे भी आखिरकार रॉकेट के लिए बात करना।