Kysymys:
Ilmakehän vaikutuksen rakettien laukaisuihin ja korkealla olevien laukaisupaikkojen edut
Tomislav Muic
2013-07-25 16:09:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mikä on ilmakehän vaikutuksen arvioitu vaikutus rakettien laukaisujen kustannuksiin? Onko hyötyä siitä, että laukaisupaikat sijaitsevat korkeammalla?

Cape Canaveral on merenpinnalla, mutta olen huomannut, että kiinalaiset laukaisukohteet sijaitsevat melko korkeilla korkeuksilla (vaikka ne voivat silti olla korkeammat, jos ne sijaitsevat) Tiibetissä).

On monia näkökohtia, jotka ovat merkittävämpiä kuin ilmanvastus. Logistiikka osien toimittamiseksi rautateitse, työntekijöiden työolot, turvallinen puskurivyöhyke laukaisualustan ympärillä, lähellä Päiväntasaajaa "kiertoradan nopeuden" aloituspisteessä (tämä ylimääräinen 1700 km / h lisäsi kiertoradan nopeuteen päiväntasaajassa verrattuna nollaan lähellä napaista laukaisua! ) - voi olla kannattavampaa käynnistää 300 km etelään kuin 3 km merenpinnan yläpuolella ...
Olen samaa mieltä SF: n kanssa. Merkittävin tekijä on leveysaste, mutta se on todellakin mielenkiintoinen kysymys. Jotkut laukaisujärjestelmät, kuten lentokoneista tai ilmapalloista lähtevät, on suunniteltu nimenomaan välttämään maapallon lähellä olevan suhteellisen tiheän ilmakehän leviämistä.
Kiinan avaruusportit ovat melko samanlaisilla leveysasteilla kuin Tiibet. mutta silti korkeammalla.
NASA on aloittanut vastauksen, katso http://www.nasa.gov/mission_pages/station/expeditions/expedition30/tryanny.html
Kuvittelisin, että kiinalaiset eivät halua käynnistää Tiibetistä, vaikka se olisi parempi laukaisupaikka. Se on hieman vaikea alue
Kyllä, kun otetaan huomioon suuret $$$ venäläiset, jotka joutuvat maksamaan Kazakstanille Baikonurin vuokraamisesta, kiinalaiset saattavat yksinkertaisesti ennakoida ...
Tämän aiheen intuition kehittäminen voi auttaa pitämään mielessä, että rakettien viettämä aika matalassa ilmakehässä (korkeimpien vuorten korkeuden alapuolella) on yleensä vain muutama sekunti, kun raketti kulkee suhteellisen hitaasti. Nämä ovat periaatteessa samoja syitä, miksi ilmakehän hapen käyttö polttoaineena (kuten ramjetissä) ei auta paljoakaan.
Kolme vastused:
#1
+28
AlanSE
2013-07-25 20:21:35 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Annan sinulle numerot. Jaan tämän kolmeen eri termiin. Siellä on ilmakehän vetovoima, jota kutsun "hover"-termiksi, ja painovoiman potentiaali nousee. Oletan enemmän tai vähemmän lennon suoraan ylöspäin. Voit käyttää mitä tahansa termiä haluamallesi nopeudelle, koska mikään niistä ei ole edustava. Otan sukkulan nopeuden puolivälissä maksimi Q: een. Tämä on 1000 jalkaa / s tai noin 300 m / s.

Luulisi, että ilmakehän vastus olisi erittäin vaikeaa. Se ei todellakaan ole. Joka tapauksessa käytät todennäköisesti v ^ 2-suhdetta vetämiseen. Mutta jos ajattelet, mistä se tulee, se pohjimmiltaan olettaa, että kaikki edessäsi oleva ilma kiihtyy veneesi nopeuteen (miinus mahdollinen poikkeaminen yksinkertaisuudesta vastuskertoimessa). Joten saadaksesi hyvän arvion, ota vain massan paksuus (kutsun mu) koko ilmakehälle ja kerro nopeuden metrillä.

Käytän myös Falcon 9: n numeroita, jotka on halkaisija 3,66 metriä ja laukaisumassa 333400 kg. Kyllä, monet näistä luvuista muuttuvat lennon aikana, mutta tavoilla, jotka ovat melko ilmeisiä, jos muutit tämän tehdäksesi numeerisen integraation.

$$ \ Delta V (vedä) = 1/2 \ mu C_d A v / M $$$$ = (0.5) (10 \ teksti {tonnia / m ^ 2) (0.5) \ pi (3.66 / 2 m) ^ 2 (300 m / s) / (333.4 \ teksti {tonnia}) $$$$ = 23,7 m / s $$

Vau. Se ei ole paljon. Ehkä nopeuden pitäisi olla suurempi. Mutta silti 10 km / s kokonaismäärästä tämä on pieni määrä. Ilmakehän vetovoima vaikeuttaa käynnistyksiä, mutta ei kovin paljon Delta v -arvonsa vuoksi.

Seuraavaksi termi "hover". Tämä edustaa painovoimaa. Jälleen olen pakko olettaa melko paljon ylöspäin. Vertailen myös merenpintaa Mt. Everest, 8848 m: n korkeudella. Ei, että olisit asettanut käynnistyslevyä sinne, mutta tarvitsemme tätä vastaamaan kysymykseen.

$$ \ Delta V = gh / v = (9,8 m / s ^ 2) (8848 m) / (300 m / s) = 298 m / s $$

Nyt tämä on paljon merkittävämpää. Tämä ei myöskään ole kaikki painovoima. Se imee edelleen delta v -budjettiasi, kun olet poissa ilmakehästä, kunnes saavutat täydellisen kiertoradan nopeuden.

Siirrymme itse gravitaatiopotentiaaliin.

$$ \ Delta V = \ sqrt (gh) = \ sqrt ((9,8 m / s ^ 2) (8848 m)) = 294,5 m / s $$

Näiden kaikkien summa on hyöty, jonka saisit muuttamalla laukaisupaikan merenpinnasta Mt. Everest. Rehellisesti sanottuna säästät kuitenkin vastaavan määrän siirtämällä sen alas päiväntasaajalle, missä maapallon kierto antaa sinulle suuremman sysäyksen.

Joka tapauksessa tämä on 616,7 m / s 10 km: n kokonaisbudjetista. / s. Joten se olisi alle 10%. Rakettikaavalla tämä voi silti vaikuttaa. Mutta sitten todelliset kustannukset ovat monimutkaisia.

Jotain vetoyhtälöstä näyttää olevan väärin ... Se ei ota huomioon aikaa, jonka raketti on ilmakehässä, jonka pitäisi olla kriittinen komponentti selvittääksesi delta V: n ilmakehän vastuksesta ...
@PearsonArtPhoto Aikakerroin otetaan huomioon yhtälössä olevan nopeuden perusteella. Hitaampi nopeus, pidempi aika. Mitä tein, poistin pituusasteikon. Laadullinen malli puristaa ilmakehän yhdeksi arkiksi, jonka raketti murtaa. Sitten arkin massa alueella, johon raketti osuu, ajetaan pois puolella raketin nopeudesta. Tämä pituusasteikon hylkääminen on perusteltavissa matematiikan perusteella. Puolet etäisyydestä kaksinkertaisella tiheydellä antaa saman impulssin (tai delta v) vastusyhtälöllä. Se on edelleen raskas arkki, kuten 10 pystysuoraa metriä vettä.
Vetohäviön laskenta näyttää alhaiselta eikä ota huomioon vaihtelevaa nopeutta. Suurin osa vetohäviöistä tapahtuu transonisella alueella, mikä näyttää jäävän huomiotta tässä analyysissä.
@AdamWuerl Se riippuu tavallaan siitä, minkä kysymyksen kysyt. Jos haluat tietää, kuinka paljon Delta V: tä säästät siirtymällä Cape Canaveralista Mt Everestiin, sen ei pitäisi olla niin kaukana. Se oli eräänlainen aikomukseni. Käytin puolet nopeudesta max Q: lla, joten jos olet kiinnostunut koko matkasta, olisi parempi käyttää kaksinkertaista tai enemmän, en ole varma tarkalleen.
"Rehellisesti sanottuna säästät kuitenkin vastaavan määrän siirtämällä sen alas päiväntasaajalle" ** mistä? ** Päiväntasaajan nopeus on 464 m / s. Polaarinen nopeus on 0. Joten jos siirryt napasta päiväntasaajaan, tämä on verrattavissa 616 m / s. Mutta jos muutit Cape Canaveralista päiväntasaajalle, mene cos (28) * 464 = 410: stä 464: een tai säästösi 54 m / s. ** Se ei ole verrattavissa ** 616 m / s säästöön Mt. Everest. Btw, vuori Andeilla Etelä-Amerikassa on parempi kuin Mt Everest, koska se lepää päiväntasaajan pullistumalla ja on siten kauimpana maan keskustasta ** plus ** ylimääräinen säde päiväntasaajan nopeudelle.
#2
+11
PearsonArtPhoto
2013-07-26 17:23:31 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Verrataan kahta rakettia, joilla on jonkin verran samanlaiset ominaisuudet, mutta yksi erittäin suuri ero.

  • Falcon 1 - kantaa LEO: lle noin 670 kg (Katso käyttäjän opas) Massa 38555 KG ( Wikipedia). Lanseerattu merenpinnasta.

  • Pegasus- Kuljettaa LEO: lle noin 450 kg (katso Wikipedia). Paino 18500 kg. Lanseerattu 40 000 jalasta.

Tämä tekee paljon oletuksia, mutta oletetaan vain, että voit skaalata lineaarisesti Pegasuksen massaa. Se antaisi raketille 27000 KG: n massan Falcon 1: n hyötykuorman nostamiseksi. Se on karkeasti 40%: n ero. Miksi ero?

  1. Falcon 1 on nestepotkuriraketti LOX / RP, kun taas Pegasus on kiinteä rakettipohjainen. Tekniikoilla on huomattavasti erilaiset työntövoima / painosuhteet, ominaisimpulssi ja massaosuudet. Kiinteiden rakettien massaosuudet ja T / W ovat yleensä suurempia, koska moottorit ovat vähemmän monimutkaisia ​​(ts. Ei paineistusjärjestelmiä, putkisto- tai turbopumppukoneita. Kuitenkin kiinteät aineet ovat tyypillisesti kalliimpia ja niillä on tyypillisesti kiinteät impulssipalot (ts. Ne eivät voi Tämä on vähemmän ongelma varhaisvaiheissa, mutta syy, miksi Pegasus lisäsi valinnaisen HAPS (hydratsiini) -vaiheen tarkkaan kiertoradan lisäykseen.

  2. Koska se on ilman laukaisema Pegasus voi lentää eri liikeradalla. Pegasuksella on siivet matalan hyökkäyskulman nousun ja sen jälkeen painovoiman käännöksen sijasta. Se lentää positiivisella hyökkäyskulmalla ja käyttää nousua helpottamaan nostoa.

  3. Korkeissa moottoreissa voidaan käyttää tehokkaampaa moottorirakennetta (ts. rakettisuutinten laajennussuhteet, jotka on viritetty ilmakehän paineeseen pudotuksen merenpinnan yläpuolella.

  4. Ilma-aluksella on pieni nopeuden voitto. Tämä ei ole merkittävä (~ 2% kiertoradan nopeudesta), mutta on.

  5. Pegasuksella ei ole Huolehdimme muuttuvista taipumuksista, kuten Falcon 1 tekee. Mutta Falcon 1: n määritetyt numerot eivät ota huomioon vaihtelevaa kaltevuutta.

  6. Ilman tiheys on huomattavasti pienempi 40 000 jalalla, mikä johtaa pienempiin integroituihin vetohäviöihin.

  7. Olet 10 km korkeammalla korkeudessa. Tämä ei todennäköisesti ole merkittävää.

Tärkeintä on, että käynnistyssivusi korkeuden nostaminen parantaa suorituskykyä sekä lisäämällä moottorin tehokkuutta että vähentämällä vetosi. Nämä luvut eivät olisi yhtä voimakkaita 10000 jalan laukaisupaikalle, mutta ne edustavat silti mitattavissa olevaa muutosta suorituskyvyssä.

+1 varsinkin kohdassa 5. Ellei rakettimoottori käytä vaihtelevan aukon suutinta, se on tehokkaasti erikoistunut tiettyyn ulkoiseen paineeseen. Moottorisuunnittelijat käyttävät muuttuvaa moottorisuutinta, ellei se lisää painoa, monimutkaisuutta ja kustannuksia.
#3
+4
geoffc
2013-07-25 18:20:32 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Raketin lentoreitti on tuskin keskittynyt 'ylös'. On helppo päästä tarpeeksi korkealle sinne, missä kiertorata on mahdollista. Harkitse tapausta kuulostavista raketeista, jotka jopa pienemmät organisaatiot tai amatööri-rakettiryhmät voivat saavuttaa.

Kova osa kulkee kiertoradalle. Eli. Nopeasti.

Siten raketti suuntautuu yleensä nopeasti ylöspäin päästäkseen ulos ilmakehän paksusta osasta ja kääntyy sitten ja kiihtyy ensisijaisesti kiertoradanopeuteen.

Kuten kommenteissa todettiin, logistiikan lisäkustannukset polttoaineen, hapettimen, osien ja hyötykuormien saamiseksi suuremmille korkeuksille eivät todennäköisesti ole sen arvoista.


Tämä Q & A käännettiin automaattisesti englanniksi.Alkuperäinen sisältö on saatavilla stackexchange-palvelussa, jota kiitämme cc by-sa 3.0-lisenssistä, jolla sitä jaetaan.
Loading...