Formen von Raketen auf der Erde ohne Atmosphäre

Luftwiderstands- und Schwerkraftverluste machen etwa 1,5–2 km/s des normalen Budgets von 9,4–10 km/s vom Start zum LEO aus.

Bei den von uns verwendeten Flugbahnen macht der atmosphärische Luftwiderstand nur einen kleinen Teil davon aus, aber wir würden effizientere Flugbahnen und niedrigere Orbitalhöhen verwenden, wenn wir uns keine Sorgen um die Atmosphäre machen müssten! Wir würden also schätzungsweise 8,5 km/s anstelle von 10 km/s von ∆v benötigen, was aufgrund der nichtlinearen Natur der Raketengleichung darauf hindeutet, dass Sie nur etwa 55-60 % so viel Rakete für einen bestimmten Wert benötigen würden Nutzlast.

Das Design von erdgestützten Raketen wird jedoch stark durch die Atmosphäre eingeschränkt. Sie sind groß und dünn, um den Luftwiderstand zu minimieren, und haben eine stromlinienförmige Hülle um ihren Tank und ihre Nutzlast, was alles Gewicht hinzufügt. Eine Rakete, die aus einer Vakuumwelt gestartet werden soll, würde hauptsächlich aus großen kugelförmigen Tanks bestehen, die an einem minimalen Rahmen befestigt sind. Die kompaktere Form würde zu vielen verschiedenen Gewichtseinsparungen führen – kürzere Kabelwege, Treibmittelleitungen usw. – die sich, obwohl sie einzeln klein sind, summieren würden.

Trägerraketen könnten auch ab der ersten Stufe effiziente, leichte Niederdruckmotoren mit Flüssigwasserstoff verwenden. Systemspezifischer Impuls wird besser, Raketen werden leichter, alle sind glücklich.

Rückkehrmissionen wären jedoch einfach brutal. Bei unseren bemannten Missionen sorgt atmosphärisches Bremsen im Wesentlichen für die gesamte Verzögerung von der Umlaufbahngeschwindigkeit. Wenn Sie ohne die Atmosphäre 8,5 km/s brauchten, um aufzustehen, brauchen Sie 8,5 km/s, um in einem Stück wieder herunterzukommen. Um eine Ein-Mann-Kapsel wie Mercury zu landen, müssen Sie möglicherweise etwa 50 Tonnen Nutzlast in die Umlaufbahn bringen!

Wenn die Erde keine Atmosphäre hätte, würden Sie meiner Meinung nach eine weitaus radikalere Veränderung der Raumfahrt sehen, als die Rakete, von der andere Poster sprechen. Während Raketen zu Beginn des Weltraumzeitalters verwendet wurden, denke ich, dass wir etwas Ähnliches wie Magnetschwebebahnen für den Start verwenden würden. Nehmen Sie eine große flache Fläche und legen Sie eine sehr, sehr lange Spur darauf. Im Gegensatz zu einem Zug würde es bei raketenartigen Beschleunigungen ansteigen. Sie beschleunigen Ihr Fahrzeug, bis es die Geschwindigkeit einer Umlaufbahn mit Perigäum bei 0 und Apogäum in der gewünschten Höhe erreicht. Das Fahrzeug fliegt in den Weltraum, der Zug wird langsamer und wird geborgen. Wenn es das Apogäum erreicht, brennt es kreisförmig.

Wenn Ihre Genauigkeit gut genug ist, können Sie sogar ein ähnliches System zum Landen verwenden - obwohl ich dies mit Kabeln tun würde, um das zurückkehrende Raumschiff festzuhalten, anstatt zu versuchen, tatsächlich an den Zug anzudocken.

Grundsätzlich wirkt sich die Erdatmosphäre auf zwei Arten auf die Trägerrakete aus:

1. Der Widerstand, den es verursacht, und
2. Die durch die Luftmoleküle verursachte Reibung, die den Werfer erhitzt.

Eine einfache Raketengleichung zeigt, wie der von der Rakete erzeugte Schub verwendet wird, um die ihr entgegenwirkenden Kräfte zu überwinden. Der Schub,$T$kann gegeben werden als,

$T = ma + mg + F_D$

wobei m die Masse der Rakete (und Nutzlast), ai die Beschleunigung, g die Erdbeschleunigung und$F_D$ist die darauf wirkende Widerstandskraft.

Wenn keine Atmosphäre vorhanden ist, ist der Widerstandsterm nicht vorhanden und der überschüssige Schub kann verwendet werden, um die Beschleunigung zu erhöhen. Da keine Atmosphäre vorhanden ist, ist auch kein Hitzeschild erforderlich, was die Masse der Rakete weiter reduziert. Im Grunde können wir also größere Höhen mit weniger Kraftstoff erreichen oder weniger Kraftstoff verbrauchen, um die gleiche Höhe zu erreichen.

Was die Landung betrifft, ist es aufschlussreich zu sehen, wie die NASA auf dem MARS gelandet ist, der etwa 1 hat$\%$der Erdatmosphäre.

Für die Landung der Phoenix auf dem MARS musste die NASA ein zweistufiges System verwenden – ein Fallschirm verlangsamte zuerst das Raumschiff und dann wurden Retro-Raketen verwendet, um es zu landen.

Wenn es keine Atmosphäre gibt, ist es in einer Weise nützlich, weil es keine Wiedereintrittserwärmung des Raumfahrzeugs gibt; Die einzige Möglichkeit zur Landung besteht jedoch in der Verwendung von Retro-Raketentriebwerken.

Bildnachweis: NASA/JPL/Corby Waste

Dadurch wird das System viel komplizierter. Beachten Sie, dass ich nur die üblichen Einwegsysteme vergleiche, keine wiederverwendbaren Raumsysteme wie das Shuttle.

Wenn wir also nur den Start/die Bergung betrachten würden, wird es ohne Atmosphäre vergleichsweise viel einfacher sein, die Raketen in den Weltraum zu starten, während es auf dem Rückweg genauso viel, wenn nicht sogar schwieriger sein wird.