Könnten Sie eine Cessna von der ISS zur Erde bringen?

Das Shuttle hatte ein Brutto-Leergewicht von 78.000 kg (172.000 lb) , und die einzige praktikable Möglichkeit, die 27.724 Kilometer (17.227 Meilen) der relativen Geschwindigkeit der ISS zu reduzieren, ist Aerobraking . Eine Cessna 172 mit vier Passagieren hat ein Leergewicht von weniger als 1.136 kg.

Während die tatsächliche Verwendung von Cessna als Wiedereintrittsfahrzeug nicht praktikabel wäre, ermöglicht das Bild die Untersuchung des Konzepts eines leichten Wiedereintrittsfahrzeugs (im Gegensatz zu Wie möglich sind "Weltraumsprünge"? ). Angenommen, wir tauschen den Gasmotor der Cessna aus und ersetzen die Masse durch Treibstoff, dann schnallen wir einige Raketen ( eindeutig eine zu starke Vereinfachung ) an das Flugzeug, um die Umlaufgeschwindigkeit zu verringern, dann haben wir ein schönes Segelflugzeug mit 2% der Masse und dem doppelten oder mehr Gleitfähigkeit.

Wenn Ihr Pilot und Ihre Passagiere für die Reise in Raumanzügen sind, müssen Sie keine Masse hinzufügen, um das Fahrzeug unter Druck zu halten.

Könnte also ein leicht geflügeltes Wiedereintrittsfahrzeug Raketen verwenden, um abzubremsen und den Wiedereintritt zu ermöglichen, ohne dass es zu Luftwiderstands- / Hitzeproblemen kommt? Würde der Kraftstoffbedarf zum sicheren Verzögern die Vorteile eines Fahrzeugs überwiegen, das dem Hochgeschwindigkeits-Aerobraking nicht standhalten muss?

Bearbeiten Diese Antwort auf diese Frage kommt darauf an, was wirtschaftlicher ist; Die zusätzliche Masse für den Hitzeschutz beim Aerobraking oder die Masse für den Kraftstoff zum Abbremsen. Es gab einen Kommentar dazu, der aber gelöscht wurde.

Nur wenn Sie irgendwelche verrückten Fusionsraketen haben, in diesem Fall wirkt dieser Vorschlag zunehmend kerbal.

Antworten (3)

Wir können die Raketengleichung verwenden , um eine Schätzung der Treibstoffmenge zu erhalten, die wir benötigen, um von der Umlaufgeschwindigkeit auf etwas zu verlangsamen, das von einer Cessna überlebt werden kann.
Die Umlaufgeschwindigkeit beträgt 7890 m/s. Wir müssen auch die potenzielle Energie, die als Höhe gespeichert wurde, abführen: Wenn wir die Rakete in Umlaufbahnhöhe abfeuern, bis die Geschwindigkeit der Cessna Null ist, beginnt sie im freien Fall zu sinken und gewinnt wieder an Geschwindigkeit. Hier ist die Geschwindigkeit , die in einem Tropfen gewonnen wird:
( 2 g h )
Ausgehend von 200 km und ohne atmosphärische Einflüsse erhalte ich 1980 m/s. Wenn die Rakete auch diese Geschwindigkeit abbremsen muss, die Summe Δ v beträgt 9870 m/s. Nehmen wir einen Isp von 300 Sekunden (z. B. das Merlin-Raketentriebwerk von SpaceX) und eine Leermasse von 1200 kg. Lösen der Raketengleichung, um uns die Anfangsmasse zu geben:
M 0 = M 1 e 9870 300 9.81
Wir kommen also auf eine Anfangsmasse von 34,3 Tonnen.

Wir müssen ein Flugprofil ausarbeiten, bei dem wir einen Teil des Raketentreibstoffs sparen, bis die Cessna die Atmosphäre trifft, damit wir Übergeschwindigkeit und Überhitzung während des Sinkflugs verhindern können.

Wir brauchen auch eine Struktur, um 34 Tonnen Treibstoff zu transportieren, und der Raketenmotor wird viel mehr Schub haben als der ursprüngliche Cessna-Motor, also müssen wir möglicherweise die Struktur der Cessna verstärken, um die Lasten aufzunehmen. Es häuft sich schnell, und es wird noch schlimmer, wenn man bedenkt, dass diese 34 Tonnen auch noch zu Wasser gelassen werden müssen. Um die ursprünglichen 1200 kg nach oben zu bringen, würde ein Sojus-Werfer ausreichen. Mit 34 Tonnen übertreffen Sie die schwersten Trägerraketen, die wir derzeit haben.
Vergleichen Sie dies mit einem Sojus-Abstiegsmodul, das etwa 3000 kg wiegt. Aerobraking und Fallschirme haben eindeutig eine viel geringere Gewichtsstrafe als das Entfernen des gesamten Delta-V allein durch Schub.

Die maximale strukturelle Belastung der IIRC Cessna beträgt ungefähr 1 g, und das gilt für die ausgefallenen Cessnas wie 441. Wenn Sie die Umlaufgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit reduzieren, übernimmt die Schwerkraft die Reduzierung Ihrer Höhe und Sie treffen frontal auf eine dichtere Atmosphäre mit Geschwindigkeiten, die es nicht konnte möglicherweise vertragen. Der Einsatz eines ausreichend großen Fallschirms würde nur helfen, ihn auseinander zu reißen.
Deshalb habe ich einen Faktor hinzugefügt, um Geschwindigkeitsgewinne durch den freien Fall wegzubremsen.
OK, aber das ist schon fast 1 g, also würde das Brennen im Verzögerungsvektor nur länger sein und noch mehr Reaktionsmasse erfordern, da nur ein kleiner Bruchteil davon Ihre Umlaufbahn tatsächlich verringert.
Du wärest überrascht. Leichtflugzeuge werden mit +3,8 g und -1,5 g belastet.
Leichtflugzeuge in der normalen Kategorie werden mit +3,8 g belastet, aber wenn Sie ein Flugzeug der Kunstflugkategorie auswählen, erhalten Sie +6 g und -3 g.
Ich schätze, du würdest genau so viel Treibstoff brauchen, wie du verbraucht hast, um es überhaupt in die Umlaufbahn zu bringen ...
@TildalWave Denken Sie einen Moment darüber nach, wie dies möglicherweise wahr sein könnte: „Cessnas maximale strukturelle Belastung beträgt ungefähr 1 g“. Alle Piloten geben während des Trudelerholungstrainings > 2 g auf die Flügel und viele ziehen -3 g bis 4 g, wenn sie Kunstflug in einem Nicht-Kunstflugzeug machen. Stellen Sie sich vor, diese Flugzeuge fliegen immer noch.

Cessna befindet sich am Rand der Atmosphäre, wo ihre potenzielle Energie sehr hoch ist, die in irgendeiner Form abgeführt werden muss (die von Wiedereintrittsfahrzeugen als Wärme abgeführt wird), da in diesem Fall Energie erhalten bleibt. Es geht nicht darum, durch die Atmosphäre zu gleiten.

  • Beim Wiedereintritt erfährt das Shuttle enorme Belastungen, die Cessna zum Einsturz bringen würden.
  • Obwohl Cessna hindurchgleitet, würde sie schließlich Hyperschallgeschwindigkeit erreichen (die Apollo-Kapsel erreichte eine Machzahl von fast 36), was zu einer Bugstoßwelle führt, die wiederum einen Temperaturanstieg in der Nähe ihres vorderen Endes verursacht, den Cessna nicht überleben würde (würde schmelzen oder es wird). schwach führt zum Scheitern). Aber Wiedereintrittsfahrzeuge sind vor dieser intensiven Hitze abgeschirmt (Shuttles mit Kacheln in der Nase).
  • Wenn die Cessna nicht unter Druck gesetzt wird, führt dies dazu, dass mehr Kraft (aufgrund des hohen Druckunterschieds innerhalb und außerhalb der Cessna, wo der Druck sehr hoch wäre) auf den Cessna-Körper ausgeübt wird, der nicht dafür ausgelegt ist, dem standzuhalten.
Raketen/Treibstoff würden verwendet, um die Orbitalgeschwindigkeit zu verringern und einen kontrollierten Abstieg über 418 km (260 mi) zu ermöglichen, damit Sie nicht überhitzen.
@JamesJenkins - ISS-Geschwindigkeit im Orbit . Und die Cessna hätte nichts dagegen, durch Beschleunigung oder Verzögerung auseinanderzufallen. Was die strukturelle Stabilität betrifft, ist es dasselbe.
@TildalWave, wenn Sie Ihre Verzögerung auf ein halbes G belassen, sollte dies die Cessna nicht übermäßig belasten. Ich weiß nicht, was die Designkriterien sind, aber ich könnte mir vorstellen, dass es leicht 1,5 g dauern könnte.
@JamesJenkins - Diese Verzögerungsraketen sind besser etwas, das wir noch sehen müssen, sonst fliegen Sie in einer Blechdose mit bald extrem verkohlten gebackenen Bohnen durch ihren Auspuff. Was ohne die Raketen sowieso nicht anders wäre, Sie fügen nur unnötig Gewicht hinzu und die potenzielle Energie, die Sie zum Abbremsen benötigen. Und ich habe keine Ahnung, wo ich die Raketen an einer Cessna anbringen oder erwarten soll, dass sie ihre Beschleunigungskraft oder tatsächlich ihr Gewicht und ihren Luftwiderstand unterstützt, wenn Sie sich mit erhöhtem Luftwiderstand und erhöhter Anziehungskraft der unteren Atmosphäre nähern .
@TildalWave Ich denke, du liegst genau richtig. Wenn Sie das besprochene Design fertiggestellt haben, wäre es ein kugelsicheres Wiedereintrittsfahrzeug, in dem sich eine schaumstoffverkleidete Cessna befindet. Das könnte funktionieren.

Während eine Cessna aufgrund einer Vielzahl von Stress- und Temperaturfaktoren äußerst unglaubwürdig ist, entwickelte Burt Rutan ein Mittel für einen nicht hitzegeschützten Abstieg.

Der Modus wird "Shuttlecock-Modus" genannt und beinhaltet eine hohe Bypass-Konfiguration an einer Überschall-Flugzeugzelle; Raumschiff Eins verlor die Umlaufgeschwindigkeit nicht. SpaceShip One befand sich auf einer sehr niedrigen Orbitalgeschwindigkeit, die nicht einmal in allen außer den technischsten Begriffen als Orbit zu qualifizieren war. Der Grund für den Shuttlecock-Modus ist, dass er auf einer sehr geringen Materialmenge einen enormen Luftwiderstand erzeugt.

Die vorgeschlagene Cessna kann dies nicht, aber ein Shuttlecock-Modus im SpaceShipOne-Stil könnte theoretisch die Prinzipien nutzen, die zum Entfernen der vertikalen Geschwindigkeit verwendet werden, um die Umlaufgeschwindigkeit durch Nah-Vakuum-Widerstand zu entfernen. Versetzen Sie es in den Shuttlecock-Modus, behalten Sie den richtigen Winkel bei und lassen Sie den Winkel kontinuierlich ändern, während es in eine auf die Erde aufprallende Ellipse zerfällt. (Rutan hat darüber in Interviews gesprochen.) So wie ein Badminton-Federball, der mit 80 Meilen pro Stunde nach vorne geschleudert wird, schnell auf unter 1 MPH abfällt und sich dabei nach unten neigt, so könnte es auch ein Orbitalfahrzeug tun.

Der Trick besteht darin, einen Luftwiderstandsbeiwert beizubehalten, der nicht zu schnell zu einer Erwärmung führt – und ein richtiger Shuttlecock-Modus kann theoretisch genau das tun … vorausgesetzt, die Winkel sind beim ersten Einstieg korrekt. Da der Primärwiderstand hinter dem Massenmittelpunkt liegt, sollte er außerdem wie bei einem Badminton-Federball den richtigen Winkel durch dynamische Stabilität aufrechterhalten.

Gibt es Tests oder Simulationen von Orbitalgeschwindigkeit?
Rutan hat gesagt, dass er einige Simulationen gemacht hat ... aber es ist nicht das Ziel des Programms bei SC, wie man sehen kann. Bei Virgin Galactic dreht sich alles darum, Menschen auf nicht orbitale Flüge zu bringen.
An die Person, die alle Links bearbeitet hat - Sie haben einige völlig irrelevante hinzugefügt. Tun Sie das nicht. Schlechte Form und schlechte Bearbeitung.
Die minimale Umlaufgeschwindigkeit der Erde beträgt ~ 17.500 MPH. Die Höchstgeschwindigkeit von Space Ship One betrug ~ 2.100 MPH. Zu sagen, dass SpaceShip One "eine sehr niedrige Orbitalgeschwindigkeit hatte", ist nicht korrekt, da es nie annähernd der Orbitalgeschwindigkeit entsprach. Meine diesbezüglichen Änderungen wurden vom OP rückgängig gemacht. Gibt es etwas, das ich vermisse?
Die Umlaufgeschwindigkeit bezieht sich in dieser Hinsicht auf die Richtung, nicht auf die Größe. Das haben Sie übersehen, außerdem haben Sie die Formulierungen an anderer Stelle durch Suchen und Ersetzen verstümmelt.