Abschätzung der Wirksamkeit der Schwerkraftdrehung im Vergleich zum Vertikalflug

Wie viel höher kann eine Rakete nach einer Gravitationskurve im Vergleich zu einer Rakete nach einem Vertikalflug erreichen?

Ich verstehe, dass es davon abhängt, welcher Raketentyp und welche Art von Schwerkraftdrehung, aber nur eine grobe Schätzung für eine echte Rakete (Typ Saturn V), die nicht unbedingt auf Berechnungen basiert, die nur auf Ihrem empirischen Wissen beruhen? 50% höher? Doppelt so hoch?

Ich versuche nur, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie wichtig die Änderung ist.

Antworten (2)

Eine vertikal fliegende Rakete erreicht eine viel höhere Höhe als eine, die eine Schwerkraftkurve fliegt. es wird einfach nicht auf dieser Höhe bleiben .

Ein Fahrzeug, das mit ausreichender Geschwindigkeit seitwärts fliegt, „verfehlt“ die Erde kontinuierlich, wenn es fällt, und ergibt eine kreisförmige oder elliptische geschlossene Bahn. Wenn stattdessen die gesamte Geschwindigkeit, die die Rakete erzeugen kann, vertikal angewendet wird, wird das Ergebnis wie ein Baseball sein, der gerade nach oben statt seitwärts geworfen wird; Es wird eine ziemlich große Höhe erreichen, bevor es direkt auf die Erde zurückfällt und abstürzt.

Die genaue erreichte Höhe hängt stark vom Design der Rakete ab. Eine Oberstufe mit niedrigem Schub, wie sie bei Ariane 5 verwendet wird, erreicht keine so große Höhe, wenn sie direkt nach oben geht, wie etwas wie Falcon 9.

Beispielsweise könnte ein Atlas V 401 in der Lage sein, eine bestimmte Nutzlast über eine Gravitationskurvenbahn in eine kreisförmige Umlaufbahn in 250 km Höhe zu bringen. Derselbe Stapel, der gerade nach oben geht, würde nach meinen groben Simulationen einen Höhepunkt von vielleicht 4000 km erreichen.

Wie Russell Borogove sagt, wenn Sie einfach geradeaus nach oben gehen, fallen Sie zurück. Daher betrachte ich dies von einem Standpunkt aus, in dem ich gerade nach oben gehe und dann horizontal brenne.

Ich weiß nicht, wie die Zahlen in der realen Welt aussehen, aber ich habe mit fast solchen Flugbahnen im Kerbal Space Program gespielt, als ich Drag-Monster schleppte. (Das Spiel hat keine gute Antwort für das Anheben großer Rover, daher fliegen manchmal einige sehr hässliche Raketen hoch.) Fast vertikal zu fliegen, bis ich aus der Atmosphäre heraus bin, kostet etwa 10% mehr Delta-V als ein richtiges Flugprofil. Beachten Sie, dass dies mit einem Verhältnis von Schub zu Gewicht weit über dem liegt, was normalerweise für Weltraumstarts in der realen Welt verwendet wird, und daher die Strafe unterschätzt.

Alternativ betrachten Sie eine interplanetare Flugbahn. So fallen Sie nicht zurück, es ist einfach eine Frage der Effizienz. Meine Erinnerung an das eine Mal, als ich es versuchte, war, dass die Strafe über 20% betrug - und das mit einem noch höheren Verhältnis von Schub zu Gewicht, als ich versuchte, einen vertikalen Kanonenstart + minimalen Treibstoff für den Flug in die Umlaufbahn zu erreichen. (An den Rand der Einflusssphäre gehen, eine kleine Verbrennung, um meine Periapsis in die obere Atmosphäre zu bringen, Aerobrake, bis meine Apoapsis im niedrigen Orbit war, dann eine letzte Verbrennung, um sie zu kreisförmigisieren.) Beachten Sie, dass dies noch empfindlicher ist Schub-Gewichts-Verhältnis, da Sie noch länger ohne horizontale Geschwindigkeit verbringen.

Kerbin hat auch eine kleinere atmosphärische Skalenhöhe als die Erde (etwa 5,5 km für Kerbin gegenüber etwa 8 km für die Erde), was auch die Auswirkungen des Luftwiderstands verringert. Es braucht einfach weniger Arbeit, um über den größten Teil der Luft zu kommen.
@hobbs Ja. Ich bin mir sicher, was ich getan habe, war viel einfacher als die Realität. Ich habe es als niedrige Grenze verwendet, nicht als Versuch, eine richtige Antwort zu bekommen.
Sichere Sache. Das ist keine Kritik. Aber diese Faktoren (und die Unfähigkeit, einfach mehr Streben hinzuzufügen) wirken definitiv zusammen, um die Atmosphäre im wirklichen Leben zu einem viel größeren Faktor zu machen.
Das scheint nicht machbar. Sie müssten viel vertikalen Impuls in horizontalen Impuls umwandeln. Eine kleine Trimmung Ihrer Flugbahn, gut, aber eine scharfe Kurve bei Mach 10? Das wäre um ein Vielfaches schwieriger, als zu versuchen, an einer Ampel eine 90-Grad-Kurve zu fahren, während Sie 65 Meilen pro Stunde fahren (wenn Sie für einen Moment so tun, als hätten Sie die Bodenhaftung, um diese Kurve sonst zu machen). Sie müssten in Ihre horizontale Flugbahn einschwenken, und das ist genau das, was Sie mit einer Schwerkraftdrehung tun - also brauchen Sie ein solches Manöver: D
@Alex Reden Sie über die Zirkularisierung von einem vertikalen Start? Es sind keine harten Kurven erforderlich - wenn Sie zum Rand der Hügelsphäre hinausgehen, sind die Kosten, um Ihre Periapsis an den Rand der Atmosphäre zu heben, winzig. Sobald Sie zurückfallen, wird es zu einer Aerocapture-Situation - überhaupt kein Kraftstoffverbrauch bis zur endgültigen Zirkularisierungsverbrennung.
Ich kenne nicht alle Manöver oder Fachbegriffe, aber ich kenne die Grundlagen der Physik, und die Grundlagen der Physik sagen, dass es viel Energie braucht, um von einer vertikalen Flugbahn bei Mach 10 zu einer horizontalen Flugbahn bei Mach 10 zu gelangen. Das ist Warum Raketen kurz nach dem Verlassen des Turms einen Pitchover machen - um eine allmähliche, durch die Schwerkraft angetriebene Kurve zu beginnen, während die Rakete wenig Schwung hat, so dass die Kosten für diese Kurve gering sind. Sie können die Rakete mit Mach 10 beliebig drehen, aber die Rakete bewegt sich meistens in ihrer ursprünglichen Richtung weiter. Es wird lange dauern, bis der Schub Ihren ursprünglichen Schwung ändert.
@Alex Aber du musst die Energie nicht bereitstellen, die Schwerkraft macht es. (Etwas verschwenderisch, der Prozess, den ich beschreibe, verbrennt die Hälfte der Energie beim Aerobremsen.)
Das meine ich - Sie können all diesen vertikalen Impuls in horizontalen Impuls umwandeln, aber es wird viel Kraft erfordern, selbst wenn diese Kraft von der Schwerkraft oder dem Widerstand oder dem Auftrieb kommt. Eine Schwerkraftkurve ist nicht nur deshalb effizient, weil sie die Schwerkraft nutzt, um die Kurve anzutreiben, sondern auch, weil das Manöver nur Sekunden nach dem Start beginnt, wenn der Schwung noch gering und daher leicht umzulenken ist ...
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