Воздушный старт: Космос — это не высота, космос — это скорость

[fonzeppelin]

И еще одна моя статья для Warcats.

В представлении неспециалистов воздушный старт в Космос чрезвычайно  выгоден. Поднять ракету мощным самолётом повыше, запустить — и вуаля!  При этом ход мыслей примерно таков: граница Космоса (линия Кармана)  примерно в 100 километров, и если мы приподнимем ракету километров на  25-30 самолётом, то ей же лететь меньше! Логика красивая, стройная… и  совершенно, просто-таки до смешного неправильная.

Околоземная орбита

Что такое, собственно, околоземная орбита? Если просто — это  траектория космического аппарата, сформированная взаимодействием двух  сил: притяжения Земли и инерции его движения. Притяжение Земли норовит  сбросить аппарат вниз, на планету. И если бы на аппарат действовало  только оно, то так бы и вышло.

Но тут в игру вступает инерция. Которая направлена под углом к силе  притяжения и желает тащить аппарат в сторону от Земли. Две силы вступают  в противоборство… и результатом становится равнодействующая сила,  которая направлена не к Земле и не от Земли, а куда-то между ними.  Космический аппарат увлекается этой силой по непрерывно искривляющейся  траектории, проходящей вокруг Земли. И так и получается орбита.

Если хотите простое определение, то космический аппарат  всё время падает на Землю, но из-за сильного бокового смещения все время  промахивается.

Чтобы инерция могла уравновесить могучую силу притяжения Земли, у  космического аппарата должна быть достаточно высокая скорость. Для Земли  эта скорость должна быть не меньше 7,91 километров в секунду.  Собственно, большую часть времени полёта ракета-носитель тратит вовсе не  на набор высоты, а на разгон до этой умопомрачительной скорости.

Определение околоземных орбит

Определение околоземных орбит 

На высоте не меньше 90—100 километров орбиты космических аппаратов  проходят ровно по одной причине: на такой высоте плотность земной  атмосферы очень низкая. Трение об атмосферу тормозит (а также  разогревает) космический аппарат, стремительно пожирая с таким трудом  приданную ему скорость. Поэтому на низких орбитах спутники живут от силы  годы, а на высоких — могут вращаться тысячи и миллионы лет. Если бы  Земля была отполированным гладким шаром, лишённым атмосферы, то ничто не  мешало бы запускать спутники с высотой орбиты хоть в миллиметр над  поверхностью.

Поэтому для достижения орбиты высота совершенно не важна. Имеет значение лишь скорость.

И что же в плане скорости прибавляет воздушный запуск? Да практически  ничего. Используемые сейчас для воздушных стартов самолёты-носители  вроде L-1001 «Старгейзер» или Boeing 747 «Космик Гёрл» — это дозвуковые  машины, способные развить не более 1000 км/ч. А это лишь около 0,28  километра в секунду. Такая незначительная прибавка к начальной скорости  ракеты просто-напросто не окупается.

Старт ракеты Pegasus с борта «Старгейзера»

Старт ракеты Pegasus с борта «Старгейзера» 

Даже 3 Маха — скорость, которую развивали лишь немногие  специализированные самолёты; это всего-навсего около одного километра в  секунду. Усложнение конструкции ракеты, необходимое для подвески под  сверхзвуковой самолёт, начисто съедает всю мыслимую выгоду от запуска  спутников с борта SR-71 или Миг-25.

  

Да, в принципе, возможны более скоростные самолёты, способные развить  6-9 Маха (2-3 км/с), но гиперзвуковой полёт на воздуходышащем  реактивном двигателе до сих пор является жутко сложной задачей даже для  одноразовых крылатых ракет. А если мы поставим на самолёт-разгонник  ракетный двигатель, то неизбежно встанет вопрос — чем он так уж лучше  обычной первой ступени ракеты-носителя? Тем, что приземляться умеет? Так  первые ступени приземляться уже научили и вертикально, без всяких  крыльев (тяжёлых) и самолётной компоновки.

То есть особых преимуществ в достижении орбиты воздушный старт не даёт. А вот проблемы и сложности создаёт, и немало.

При обычном вертикальном старте ракета испытывает исключительно  продольную нагрузку, направленную снизу-вверх. При воздушном же старте  она длительное время пребывает горизонтально и вынуждена испытывать ещё и  поперечную нагрузку. Необходимость обеспечивать не только продольную,  но и поперечную прочность заставляет делать ракету прочнее и массивнее,  тем самым съедая и без того невеликую выгоду.

Кроме того, запускаемая в воздухе ракета должна использовать топливо,  которое нормально хранится и не создаст катастрофических для  самолёта-носителя проблем в случае утечки. А это разом исключает как  криогенные топливные комбинации (увешивать самолёт ещё и компрессорами  для пополнения испаряющегося жидкого кислорода — право, чересчур), так и  токсичные долгохранящиеся (случайная утечка из бака с гидразином в  полёте может привести к крайне неприятным последствиям).

Справка:

Собственно, именно эти соображения и погубили расхваленный  советский космоплан воздушного старта «Спираль». После того как  выяснилось, что 6-маховый самолёт-разгонщик создать так просто не  получится, в качестве топливной пары предложили… фтор и водород. От  перспективы таскать над страной бак с десятками тонн этой адской (без  особого преувеличения), невероятно коррозийной субстанции, волосы  вставали дыбом даже у привычных советских военных.

МиГ 105.11 — дозвуковой самолёт-аналог орбитального самолёта, часть программы “Спираль”

МиГ 105.11 — дозвуковой самолёт-аналог орбитального самолёта, часть программы “Спираль” 

Так в чём же преимущества воздушного старта?

А вот в чём.

Эффективность работы сопла ракетного двигателя в атмосфере Земли и в  вакууме Космоса не одинакова. Давление атмосферы влияет на истекающую из  сопла струю газов, на соотношение давления газов и скорости истечения.  Регулируются они конструкцией сопла. Для работы в атмосфере оптимальны  более короткие сопла с небольшим коэффициентом расширения газов. А для  работы в вакууме — наоборот, с большим коэффициентом расширения.

Из этого следует довольно неприятное для ракетостроителей следствие:  невозможно построить двигатель, который одинаково хорошо работал бы и в  атмосфере, и в вакууме. Поэтому обычно на первые ступени ракет-носителей  ставят узкие «атмосферные» сопла. А на верхние ступени — широкие  «вакуумные».

Однако тут скрывается серьёзная проблема. Дело в том, что атмосферное  давление меняется очень быстро с набором высоты. На высоте в 20  километров оно почти в двадцать раз меньше, чем на уровне моря. Это  значит, что узкое «атмосферное» сопло первой ступени начнёт быстро  терять эффективность по мере подъёма. А учитывая, что первая ступень —  самая мощная и дорогая в ракете, любая неэффективность в ней…  нежелательна.

Воздушный старт позволяет обойти эту проблему. Если мы запускаем  ракету с самолёта, поднявшегося на 15-20 километров, то мы уже можем  поставить на первую ступень широкие «вакуумные» сопла и добиться  оптимальной ее эффективности. Да, прибавка не слишком велика… но в  ракетостроении любая оптимизация, как правило, себя окупает.

Схема воздушного запуска ракеты Pegasus XL

Схема воздушного запуска ракеты Pegasus XL 

Кроме того, воздушный старт позволяет подобрать оптимальную точку и  направление запуска. Наземные космодромы в этом плане сильно ограничены  географией: не со всякого космодрома можно запустить на любую желаемую  орбиту. Всегда приходится считаться с риском, что обломки первой ступени  (а то и целая аварийная ракета) могут упасть кому-нибудь на голову.

И хорошо если ещё в своей стране, а ну как в соседней?

Именно по этой причине с Канаверала, например, можно осуществлять  старты только в пределах определённого угла. Чуть южнее — и обломки  ракеты могут упасть на Кубу или в Мексику, создав международный  инцидент. Чуть севернее — и они упадут в густонаселённых районах США,  создав внутренний, но ничуть не менее громкий инцидент. А по масштабам  исков — так ронять на Кубу ещё и дешевле выйдет…

Угол, в рамках которого осуществляются запуски с мыса Канаверал

Угол, в рамках которого осуществляются запуски с мыса Канаверал 

А вот «летающий космодром» спокойно может расположиться так, что на  траектории запуска ракеты не будет ничего ценного. Или вообще устроиться  над морем. Значение также имеют и метеорологические условия: если  наземный запуск может быть запросто сорван грозой, бурей или сильным  ветром, то воздушный пуск может просто улететь от неблагоприятной  погоды.

Вот вкратце, что такое воздушный запуск и в чём его преимущества и  недостатки. И надо заметить, что преимущества, хотя и далеко не так  велики, как часто полагают обыватели, всё же и не совсем незначительны.

Comments

[lx-photos.livejournal.com]

Воздушный запуск не может улететь от погоды, так как траектория самолёта диктуется траекторией ракеты. И потому не может быть произвольной, а жёстко задана.

Компрессоры для жидких газов не нужны, так как нужное давление создаётся самим же газом при испарении.

[dimmoff.livejournal.com]

Судя по тому как долго Брэнсон допиливал свой проект, минусы значительно перевешивают!)

[vsatman888.livejournal.com]

спасибо, весьма хорошо изложено

[fonzeppelin.livejournal.com]

Согласен, я несколько пере-упростил.

[sleepingtoss.livejournal.com]

А почему космодромы не пытаются стоить где-нибудь в горах? Ведь это возможность разместить стартовую точку на 3-5 км выше, где атмосфера менее плотная.

[zigurd.livejournal.com]

Скорее всего мало ровных площадок.
А во-вторых, если трубопроводы туда можно подвести, то как туда доставлять саму ракету?

[tomas palmer (from livejournal.com)]

А затащить инфраструктуры в горы — в какую копеечку влетит? И да,представить себе затаскивание
ракеты хоть на три километра... Это да,должен быть шедевр инженерной мысли. Коий всю экономию
сожрет и еще добавки,причем в многократном размере потребует.

[zigurd.livejournal.com]

У неподготовленного читателя возникает несколько вопросов:
1) почему нельзя делать сопла изменяемой формы, у самолетов, вроде, делают.
2) почему ракету нельзя запихнуть в сам самолет?)

[fonzeppelin.livejournal.com]

В основном из-за головоломной логистики.

[fonzeppelin.livejournal.com]

1) Пытаются делать, но в случае с ракетой требования куда выше, и пока особой надежности от таких сопел добиться не получается. Как и от клиновоздушных двигателей.

2) Потому что придется подгонять две разные системы очень точно друг к другу

[zigurd.livejournal.com]

2) я в принципе, понял: там все открывающиеся створки на нескольких махах одноразовыми будут.)

[sleepingtoss.livejournal.com]

Многоразовая ракета с гибридным двигателем из композитных материалов и самолётной посадкой — в этом слишком много нового, отличающегося от вариантов, которые использовались в государственных космических программах.

[Дмитрий Рождественский (from livejournal.com)]

IMHO воздушный старт окупается в основном для суборбитальных полётов. Где как раз важна высота, а не скорость.

[fonzeppelin.livejournal.com]

Не, ну есть одно старое решение...



Американский сверхзвуковой палубный стратегический разведчик А-5 "Виджиланте", в свою короткую бытность палубным стратегическим бомбардировщиком, имел необычный бомбовый отсек в виде длинной трубы, открывающейся в хвост. В нее запихивались атомные бомбы и подвесные баки, все это закрывалось заглушкой-конусом, и затем сбрасывалось, попросту выталкивая в хвост. То есть нагрузка могла быть сброшена во время полета на сверхзвуке без каких-либо проблем с аэродинамикой.

[eugene-gu.livejournal.com]

Да и с предложенными поправками остаётся справедливым ваше "Такая незначительная прибавка к начальной скорости ракеты просто-напросто не окупается"

[currentname.livejournal.com]

Воздушный старт выгоден по причине того, что первая ступень — самая мощная и дорогая в ракете и при этом она безвозвратно теряется при запуске.
При воздушном старте таких — выброшенных на ветер десятков миллионов долларов — нет.

[fonzeppelin.livejournal.com]

ИМХО, он А — пересложнил, и Б — зашел в тупик. Все его решения плохло "масштабируются вверх".

[eugene-gu.livejournal.com]

> это почти 4% ... гравитация ниже на 0.6%
---
"Необходимость обеспечивать не только продольную, но и поперечную прочность заставляет делать ракету прочнее и массивнее, тем самым съедая и без того невеликую выгоду."

Ну а то, что для упомянутых "многих задач" не требующих первой космической скорости - малые ракеты продолжают выигрывать за счёт простоты, надёжности и гибкости изготовления и запуска.

[alll]

> для достижения орбиты высота совершенно не важна. Имеет значение лишь скорость.

Отчего же, высота тоже важна: чем выше орбита, тем меньшая для неё требуется скорость. Например у Луны скорость всего около 1км/с, у спутников на геостационарной орбите — примерно 3км/с.

[sleepingtoss.livejournal.com]

Китайцы уже построили железную дорогу Пекин-Лхаса, которая поднимается на высоту чуть более 5000 км + уже вбухали огромные средства в строительство дорог в этом регионе. Думаю, что можно было бы найти место, куда бы и железная дорога подходила и обычная дорога...

[gholam.livejournal.com]

Нет, потому что дозвуковой самолёт-разгонник даже близко не заменяет первую ступень, и при этом сам далеко не бесплатный. Наглядный пример — ракеты Pegasus и Minotaur-C практически идентичны, за исключением того что у Пегаса первой ступенью из четырёх работает самолёт, а у Минотавра — твердотопливный разгонник. Стоимость пуска одна и та же — $40-50 миллионов, но при этом Пегас вывозит на орбиту полтонны, а Минотавр — полторы.

[sleepingtoss.livejournal.com]

>>Чуть южнее — и обломки ракеты могут упасть на Кубу или в Мексику, создав международный инцидент.
Мексика вообще в другой стороне расположена. А на карте хорошо видно, что сразу на юг от стрелочек располагаются Багамские острова, а вовсе не Куба.

[lastfire.livejournal.com]

>>Космос — это не высота, космос — это скорость

Хорошо проиллюстрировали здесь:
https://chtoes.li/orbital-speed/

Космос не такой


Космос вот такой

[gholam.livejournal.com]

железную дорогу Пекин-Лхаса, которая поднимается на высоту чуть более 5000 км

Офигеть, китайцы осилили космический лифт!

[jr0.livejournal.com]

Жаль.

1. Заголовок — провокационно неправильный, прямо противоречит факту, гипербола, но ведь не для того читателя, которому предназначен. Космос — это то, что вне атмосферы Земли, а не то, что на Землю не упадет. Космос это окружающая нас пустота — space, пространство. Не уверен в филологических познаниях большинства читателей.

2. Рассуждения о доли скорости — демагогия какая-то. Уж хотя бы энергию, тоо есть ее квадрат. Но кое-кто все-таки помнит, что масса от требуемого прироста скорости зависит экспоненциально. Чтобы о чем-то тут судить, надо переходить к логарифмам, а не долям. Использование доли неуместно, попытка ввести в заблуждение.

3. Возьмем любой репортаж SpaceX о пуске. Посмотрим время, когда ракета достигает самолетной высоты и скорости. "Внезапно", это близко к тому, что делает обычный самолет. Ракета делает не больше. Простые расчеты показывают, что из первой ступени Falcon можно исключить, по крайней мере, три ЖРД Merlin, если ракете не надо на высоту 12 км со скоростью близкой к звуковой.

Цена пусковых сооружений и цена этих ЖРД, запаса топлива, баков, прочности ракеты, чтобы выдержать это великолепие — вычитаем. Перегрузка, хоть и поперечная, но заведомо не превышает 1.5 ед. Потому что именно так летают большие самолеты.

Разгон сброшенной ракеты начинается с меньшей скорости и меньшего ускорения, тяговооруженности ракеты. Значит, среди прочего, что такой обтекатель, как на Falcon, не надо. Сверхзвуковая скорость и наибольший напор (max Q) произойдут на большей высоте, а там разреженнее воздух. А это все, по крайней мере, в квадрате.

4. Главное: автор на пальцах показывает, что многие профессионалы неправы в том, что любому прохожему можно объяснить за три минуты. Что есть некий заговор или особенная тупость ((с) Задорнов) профессионалов конструкторов. "Мы-то понимаем" — нет!

Это профанация. Надо учиться, чтобы начать понимать решения профессионалов. Pegasus, LauncherOne делали не тупицы. В SpaceX тоже хотели носитель воздушного пуска, но ясно, что самолет-носитель Roc (совсем не Ан-225, а особо предназначенный) конструкция непростая, уникальная, дорогая — около $600 млн.

LauncherOne летает, потому что у Брэнсона авиакомпания — крупнейший флот B747. Десятки B747 с остатками ресурса и собственным их обслуживанием. Брэнсон беззастенчиво использует свое подавляющее преимущество даже перед особо построенным, но и уникальным, Roc, на который было бы все завязано.

Это — немного о том, что определяет решения профессионалов, когда они не противоречат физике, но не сходятся с непосредственно доступным.