Der Bau eines SSTO-Raumflugzeugs aus einer 747 mit der aktuellen Technologie wäre einfach unmöglich. Der Schlüsselwert ist der Massenanteil Ihres Antriebs – das ist im Grunde, wie viel Prozent des Startgewichts kein Kraftstoff ist und welcher Teil dieses Gewichts Nutzlast im Gegensatz zum Fahrzeug ist. Ein SSTO-Fahrzeug muss zu etwa 90 % aus Kraftstoff bestehen. (Gestaffelte Raketen können weniger Treibstoff nach Masse haben, weshalb wir sie verwenden.) Unnötig zu erwähnen, dass die 747 nicht dafür ausgelegt ist, das Neunfache ihrer Trockenmasse an Treibstoff zu speichern.

Nehmen wir also an, dies ist Ihr zweites Szenario: dass ein futuristischer Weltraumort aus irgendeinem (vermutlich kulturellen) Grund wie eine 747 geformt ist. Da Sie keine bestimmte Technologie im Sinn haben, denke ich, dass es vernünftiger ist, sich anzusehen, was Sie tun würden brauchen .

Erstens Schub (und Treibstoff). Wie oben erwähnt, muss Ihr Schubmechanismus – was auch immer es ist – viel sparsamer als jedes bestehende Design sein. (Bei einem Blick auf die technischen Daten trägt der 747 nur etwa sein eigenes Gewicht an Kraftstoff bei maximaler Last, also müssen Sie etwa 10x so effizient sein wie aktuelle Antriebe ... oder eine Art reaktionsloser Science-Fiction-Antrieb.) Die Motoren klein machen genug, um in die Motorhauben zu passen, wird wahrscheinlich der einfache Teil sein.

Zweitens die zugrunde liegende Struktur. Damit meine ich: Die 747 wird von ihren Flügeln angetrieben; Der gesamte Schub entsteht dort und wird von den Flügeln auf den Körper übertragen. Ein SSTO-Design erzeugt wesentlich mehr Schub; Die Flügel müssen stark genug sein, um nicht zu brechen. (Sie müssen auch stark genug sein, um beim Wiedereintritt nicht abgebrochen zu werden, aber ich vermute, dass dies eine niedrigere Schwelle als der Startschub ist.)

Drittens: Es muss manövrierbar sein. Alles in allem ist eine kleine Version Ihres Triebwerks als RCS-System wahrscheinlich keine große Sache. Die eigenen Flugflächen des 474 funktionieren natürlich nicht im Weltraum.

Viertens: Beim Wiedereintritt müssen Sie eine immense Menge an Wärme aufnehmen (es sei denn, Sie haben eine so phänomenale Menge an Treibstoff, dass Sie langsam wieder eintreten können). Woraus auch immer die Haut des Flugzeugs besteht, sie muss robust genug sein, um dem standzuhalten. Es braucht auch Schutz vor Mikrometeoriten und was auch immer Sie haben. Es werden starke Materialien für die Cockpit-Windschutzscheibe usw. benötigt.

All dies unter der Annahme, dass Sie möchten, dass das interne Layout im Wesentlichen identisch ist. Wenn Sie die Kabine und den Frachtraum aushöhlen und sie alle in Kraftstofftanks verwandeln würden, ist das nicht ganz so unwahrscheinlich, aber ich denke, die Flügel sind immer noch falsch geformt, und der Hitzeschild wird immer noch ein Problem sein.

Physik

Aufzug

Die 747 ist, wie alle starrflügelgetriebenen Flugzeuge aus dem Wright Flyer I der Gebrüder Wright, auf den Auftrieb der Flügel angewiesen, die durch die Atmosphäre fliegen, um zu fliegen. Dies bedeutet, Auftrieb zu erzeugen, wenn Luft über die Flügel strömt. In einigen Höhen bedeutet die dünnere Luft zu wenig Auftrieb. Oberhalb dieses Maximums helfen Flügel also nicht. Sie werden feststellen, dass kein Raumschiff, das jetzt oder jemals im Einsatz war, große Flügel hat. Dafür gibt es einen Grund.

Ja, das Space Shuttle hatte Flügel. Aber sie waren stummelig und boten im Vergleich zu den 747 nicht viel Auftrieb.

Schub

Ihr Motor muss Schub liefern. Wenn Sie steigen, verlieren Sie Schub. Besonders von Propeller- oder Strahltriebwerken. Man muss also mit einer anderen Schubform kompensieren. Heute bedeutet das Raketentriebwerke statt Strahltriebwerke. Die Düsentriebwerke Ihrer 747 sind oberhalb einer bestimmten maximalen Höhe nutzlos, weil einfach nicht genug Luft vorhanden ist.

(Siehe diesen Beitrag , der Schub und Auftrieb ausführlicher behandelt.)

Kraftstoff

Raketentriebwerke verbrauchen sehr viel Treibstoff. Grundsätzlich hat jede Maschine, die die Menschheit in den Weltraum geschickt hat, zum Zeitpunkt des Starts mehr Treibstoff als Nutzlast transportiert. Wikipedia hat Details, um dies zu erweitern.

Lenkung

Raumschiffe steuern, indem sie sich entweder drehen, um ihre Haupttriebwerke in eine neue Richtung zu richten, oder indem sie kleinere Triebwerke verwenden, um zu zielen und zu feuern, wodurch die Flugrichtung geändert wird. Ihre 747 fliegt, indem sie Steuerflächen bewegt, um die Richtung zu ändern. Diese Steuerflächen haben absolut keinen Nutzen, sobald Sie sich über eine gewisse Höhe erheben. Aus dem gleichen Grund, aus dem Sie den Auftrieb verlieren.

Druck

Flugzeuge halten den Kabinendruck aufrecht, indem sie Luft aus den Triebwerken ablassen und in die Kabine zirkulieren lassen. Dies bedeutet per Definition, dass die Kabine nicht luftdicht ist und per Definition Zugang zu Außenluft haben muss. Ihr Space-747 muss Sauerstoff an Bord und eine abgedichtete Umgebung haben, um den internen Luftdruck gegen das Vakuum des Weltraums aufrechtzuerhalten. Das ist ein völlig neuer Satz von Systemen, die nicht einfach auf den Rumpf geschweißt werden können; Es ist eine komplette Neugestaltung des gesamten Systems.

Abschirmung

Raumfahrzeuge müssen gegen Strahlung abgeschirmt werden, die innerhalb der Erdatmosphäre einfach keine Bedrohung darstellt. Ihre 747 würde einige ernsthafte Upgrades benötigen, um damit fertig zu werden .

Buchstäblich jede äußere Komponente Ihrer 747 muss ersetzt werden, vom Glas in Ihren Fenstern bis zum Aluminium des Rumpfes. Nichts ist stark genug, um mit den neuen Belastungen fertig zu werden, die Sie einführen möchten.

Thermische Kontrolle

Ihr Flugzeug kann die Temperatur regulieren, weil es in einer Atmosphäre fliegt. Es ist eine relativ triviale Aufgabe, die Außenluft je nach Bedarf zu erwärmen oder zu kühlen, bevor sie der Kabine zugeführt wird.

Aber das Vakuum des Weltraums ist buchstäblich der bestmögliche Isolator. Wikipedia beschreibt die Reihe von thermischen Kontrollsystemen, die erforderlich sind, um die Temperatur im Weltraum aufrechtzuerhalten. Eine 747 braucht diese Komplexität nicht. Jedes dieser Systeme müsste in Ihrem 747-ähnlichen Schiff berücksichtigt werden.

Elektronik

Die 747 wurde in den 1970er Jahren eingeführt. Selbst mit Upgrades wird die Bordelektronik darin nicht den Bedarf eines Raumschiffs decken. Sie müssen weitaus komplexere Energieerzeugungs-, Kommunikations-, Navigations-, Lebenserhaltungs-, Avionik- und andere Computer-Subsysteme einbauen. Abgesehen von der Unterhaltung an Bord, dem Telefon, mit dem Flugbegleiter mit der Kabine oder den Piloten sprechen können, und der Deckenbeleuchtung, vermute ich, dass es buchstäblich nichts in der Bordelektronik gibt, das in der neuen Weltraumrolle verwendet werden könnte.

Sicherheit

Ein einfacher Sicherheitsgurt über dem Schoß, Kotzbeutel und Schwimmhilfen reichen nicht aus. Sie brauchen Druckanzüge. Das bedeutet, dass Sie Sitze mit genügend Platz für einen durchschnittlichen Menschen in einem Druckanzug benötigen. Es gibt keine 747 im kommerziellen Dienst, die den Raum hat, den Sie brauchen. Und ich bezweifle ernsthaft, dass ein Schwimmsitzkissen überhaupt einen Nutzen hat.

Zusammenfassung

Grundsätzlich hat ein Flugzeug im 747-Stil keinen Vorteil für die Raumfahrt. Sie müssten sich Raketentriebwerke, riesige Treibstofftanks und all die für die Lenkung erforderlichen Attitude Jets anschnallen. Ihre Flügel können in geringer Höhe niemals genügend Auftrieb erzeugen, um Sie über die Atmosphäre zu bringen. Sie würden nur einen Luftwiderstand erzeugen, sobald Ihre massiven Raketentriebwerke zu beschleunigen beginnen. Sie konnten wahrscheinlich auch nicht stark genug gemacht werden, um die beim Wiedereintritt auftretenden Kräfte zu überwinden.

Grundsätzlich besteht die einzige Möglichkeit, Ihre 747 zu einem Raumflugzeug zu machen, darin, Handwavium in massiven Dosen hinzuzufügen. Sie brauchen eine Art Anti-Schwerkraft-Motor, um das Gewicht Ihres Flugzeugs zu negieren, eine Art Motor, der wenig oder keinen Verbrauchstreibstoff benötigt, um Auftrieb zu erzeugen, und Sie brauchen auch Lenkmotoren. Oh, und Strahlenschutz und andere Umweltbelange. Und selbst dann würde das Endprodukt wahrscheinlich überhaupt nicht wie eine echte 747 aussehen.

Wie oben erwähnt, ist ein SSTO-Raumflugzeug aus 747 beim derzeitigen Stand der Technik nicht möglich. Aber schauen wir uns an, was möglich ist – oder zumindest projektiert und mehr oder weniger machbar war.

• Silbervogel (30er-40er) ist wahrscheinlich das erste Projekt eines Raumflugzeugs, offensichtlich nie umgesetzt. Ein suborbitaler Nazi-"Amerika-Bomber", au...
• DynaSoar (50er-60er) war wahrscheinlich eines der ersten realistischen Raumflugzeugprojekte. Allerdings war der Start von einer "normalen" Rakete geplant, es war das Raumflugzeug, das gleiten (und dynamisch aufsteigen sollte , ja) war. Es war geplant, viel kleiner als 747 zu sein.
• Das Spiral-Projekt (60er-70er) zielte in seiner vollen Form darauf ab, ein schweres Hyperspeed-Trägerflugzeug zu haben, auf dem sich der Booster mit dem eigentlichen Raumflugzeug befand. Modelle des Raumflugzeugs wurden mit dem konventionellen Start getestet (wobei das US-Analogon das obige DynaSoar-Projekt ist), das Trägerflugzeug kam nie zustande. Die Eigenschaften des Raumflugzeugs haben mich im Zusammenhang mit Ihrer Frage an dieses Projekt erinnert, ein 50-Tonnen-Mach-6-Jet! MAKS ist die gleiche Idee mit Unterschall -An-225 als Träger, der 1991 eingestellt zu werden scheint. Die Startmasse von MAKS war mit 275 Tonnen geplant, 747-8 ist 220 Tonnen.
• SpaceLiner (2005) ist eine moderne Version eines Raumflugzeugs. Es scheint mir, dass es nichts weiter als nur ein Projekt ist.
• White Knight Two (zeitgenössisch) ist ein speziell angefertigtes Trägerflugzeug für SpaceShipTwo. Letzterer soll in einem suborbitalen Flug den unteren Weltraum (110 km) erreichen. ( X-15 hat früher eine ähnliche Leistung vollbracht.) Die Leute von VirginGalactic arbeiten langsam in Richtung eines trägergestützten Weltraumstarts. Der eigentliche Träger geht nicht in den Weltraum.
• Der Pegasus- Werfer (seit den 90er Jahren) ist eine ähnliche Einstellung, ein Raketenstart aus der Luft.

Ich werde Material aus einer anderen Frage wiederverwenden, die ich zu SSTOs beantwortet habe .

Das Space Shuttle wiegt im leeren Zustand 78 Tonnen und kann eine Nutzlast von 27 Tonnen in eine erdnahe Umlaufbahn bringen . Aber dazu braucht es die Hilfe eines 756 Tonnen schweren Außentanks und zwei Feststoffraketen-Booster, die jeweils 571 Tonnen wiegen . Der Großteil des Gewichts dieser Bestien (~92%) ist Treibstoff.

Die 747 hat viele Modelle mit maximalen Startgewichten von 320 bis ~448 Tonnen .

Es hat einfach nicht die Kapazität, genug Treibstoff aufzunehmen, um eine erdnahe Umlaufbahn zu erreichen.

Um so etwas SSTO-fähig zu machen, müsste ein viel größeres, frankeinsteinisches Schiff gebaut werden, das so viele Designprobleme hätte, dass die Antwort so groß sein könnte wie ein Buch über Luft- und Raumfahrttechnik. Das Hauptproblem hat mit der Raketengleichung zu tun - TL;DR, Ihr Treibstoffbedarf wird dazu neigen, exponentiell zu wachsen.

Es wäre einfacher, die Außentanks des Shuttles zu einem Stück zu verschmelzen und eine Mannschaftskabine an der Spitze des größeren Tanks anzubringen.

Wenn Sie SSTO durchführen möchten, müssen Sie entweder:

• Arbeiten Sie mit einem viel kleineren Flugzeug. Etwas in der Größe eines modernen Kampfjets. Diese Flugzeuge sind so gebaut, dass sie ein günstigeres Schub-Gewichts-Verhältnis haben, und wenn ich mich richtig erinnere, haben ihre Triebwerke einen besseren spezifischen Impuls. Oder...

• Tauchen Sie ein in Science-Fiction und lassen Sie Dinge wie "Anti-Schwerkraft-Antriebe" oder was auch immer zu. Raumschiffe in den Universen von Star Wars, Star Trek, Marvel Comics usw. werden von Unglauben angetrieben – wenn der Unglaube aufgehoben wird, werden auch die Schiffe.

Die ersten Dinge, die mir in den Sinn kommen, sind die Fragen der Materialkonstruktion.

Zunächst einmal ist der Stahl- und Aluminiumrumpf eines traditionellen Verkehrsflugzeugs richtig, ihm fehlt die Festigkeit und Gasabdichtung, die erforderlich sind, um in ein vollständiges Vakuum zu gelangen. Außerdem fehlt ihm die Hitzebeständigkeit für ein Wiedereintrittsfahrzeug. Materialien mit dieser Kombination aus Festigkeit und Hitzebeständigkeit sind dicker und/oder schwerer als ein herkömmlicher Rumpf, was bedeutet, dass die Form nicht gleich bleiben kann . Der zweite Grund, warum der Rumpf neu gestaltet werden muss, ist, dass ein zylindrisches Rohr, das während des Wiedereintritts auf die Atmosphäre trifft, die Fahrt heftiger machen wird, da es nicht für ein effektives Aerobraking geformt ist. Der Wiedereintritt ist heftig genug, dass ein langer Zylinder dazu neigen würde Schnalle unter den besten Fallbedingungen undes verschiebt die Bedingungen in erschreckendem Maße vom besten Fall weg.

Zusammenfassend ist angesichts der schwerwiegenden Nachteile der Planform und der Konstruktionsmethoden, die für Verkehrsflugzeuge verwendet werden, eine vollständige Neugestaltung erforderlich. Ganz zu schweigen von Schubverhältnissen usw., die eine andere und noch einschränkendere Reihe von Problemen sind. Schauen Sie sich irgendwann Winchell Chungs Atomic Rockets- Seite an. Er erklärt die Probleme mit Energie- / Massenbeschränkungen, die die meisten Wissenschaften durcheinander bringen. fi entwirft viel besser und einfacher als ich es kann.

Lassen Sie uns einige der Probleme auflisten, die gelöst werden müssten, indem wir der hypothetischen Flugbahn von JFK zur Mondbasis folgen.

• Reichweitenraum (>100 km Höhe): Flugzeugflug dank Flügelauftrieb. Je seltener die Atmosphäre, desto geringer der Auftrieb. Jedes kommerzielle Flugzeug erreicht höchstens 12 km über dem Meeresspiegel. Um 100 km und mehr zu erreichen, müssten Flügel enorm sein. Auch die Motoren konnten nicht funktionieren, indem sie nur Außenluft ansaugten.
• Bleiben Sie im Weltraum : Sobald Sie LEO erreicht haben, müssen Sie die Umlaufgeschwindigkeit oder die Fluchtgeschwindigkeit erreichen. Das bedeutet eine Geschwindigkeit von etwa 10 km/s. Und Ihren Motoren fehlt die Luft (siehe oben).
• Lenken und verlangsamen Sie im Weltraum : Flugzeuge nutzen den Luftwiderstand, um dies zu erreichen. Erraten Sie, was? Im Weltraum ohne Luft würde das Flugzeug geradeaus fliegen, nur von der Schwerkraft geleitet. Wenn Sie auf den Mond zusteuern, werden Sie es wirklich hart treffen.

Und jetzt, da Ihr Flugzeug nur noch ein Stück Schrott ist, das auf dem Mond verstreut ist, wird es ziemlich schwierig sein, es zurück zur Erde fliegen zu lassen ...

Angenommen, Sie schaffen es, mit einem etwas angeschlagenen Flugzeug wieder abzuheben, müssen Sie sich nun dem letzten Problem stellen:

• Bremsen für Umlaufgeschwindigkeit auf Fluggeschwindigkeit : Sobald Sie in die Atmosphäre eintreten, müssen Sie diese große Menge an kinetischer Energie loswerden, die Sie haben (erinnern Sie sich an die 10 km / s?). Wenige Millimeter Aluminium sind ein Witz für die Erwärmung durch Luftkompression. Das Flugzeug wird zu einer Plasmawolke, und die Passagiere werden kurz darauf folgen.