Machbares einstufiges wiederverwendbares Raumfahrzeug

Da Sie sich von The Tyranny of The Rocket Equation befreit haben , indem Sie das Treibstoffproblem gelöst haben, können Sie dies auf beliebige Weise tun. Einige neue Technologien oder Technologien, die aufgrund einiger Einschränkungen, die wir noch nicht überwinden können, gescheitert sind, können Ihnen hier dienen. Dinge wie der Aerospike-Motor (der derzeit aufgrund von Kühlungs- / Materialanforderungen ausfällt) könnten für Ihr Design nützlich sein.

Ich würde für ein Raumflugzeug plädieren , das konventionell in große Höhe abhebt, seine Flügel einfährt und über Mach 15 auf Hyperschall geht, dann aus der Atmosphäre "springt" und sich selbst einen netten kleinen Orbitalinsertionsschub gibt .

Das Raumfahrzeug könnte ein flügelloses elektromagnetisches Luftfahrzeug (WEAV) sein, das seinen Auftrieb erhält, indem es die umgebende Luft ionisiert und Auftrieb gewinnt. Details hier und es ist nicht alltäglich, dass der Scientific American über eine fliegende Untertasse zitiert wird.

Die Untertasse wird schweben und sich mithilfe von Elektroden antreiben, die ihre Oberfläche bedecken, um die umgebende Luft zu Plasma zu ionisieren. Gase (z. B. Luft, die eine gleiche Anzahl positiver und negativer Ladungen hat) werden zu Plasma, wenn Energie (z. B. Wärme oder Elektrizität) dazu führt, dass einige Atome des Gases ihre negativ geladenen Elektronen verlieren, wodurch Atome mit einer positiven oder positiven Ladung entstehen Ionen, umgeben von den neu abgelösten Elektronen. Unter Verwendung einer Energiequelle an Bord (wie einer Batterie, einem Ultrakondensator, einem Solarpanel oder einer Kombination davon) senden die Elektroden einen elektrischen Strom in das Plasma, wodurch das Plasma theoretisch gegen die neutrale (nicht geladene) Luft drückt, die das Fahrzeug umgibt Genügend Kraft zum Abheben und Bewegen in verschiedene Richtungen erzeugen (je nachdem, wo auf dem Fahrzeug)

Glücklicherweise ist das einstufige Raumschiff ein Fahrzeug der fernen Zukunft mit einem möglichen Materie-Antimaterie-Antriebssystem, da dieses Problem mit WEAV gelöst wird. Daher ist es vernünftig anzunehmen, dass die praktischen Probleme bei der Verwendung von Antimaterie als Energiequelle gelöst wurden. Dieses Fahrzeug operiert schließlich in der fernen Zukunft.

Die größte Hürde beim Bau eines WEAV, das groß genug ist, um Passagiere zu befördern, wäre, das Fahrzeug leicht und dennoch stark genug zu machen, um seine Fracht und Energiequelle zu heben.

Ein ähnliches magnetohydrodynamisches (MHD) Fahrzeug wurde in einem Artikel „How To Design A Flying Saucer“ von Dr. Richard J Rosa beschrieben, der in Analog veröffentlicht und in The Analog Science Fact Reader (1974), herausgegeben von Ben Bova, nachgedruckt wurde . Dies deutete darauf hin, dass diese Art von Fahrzeug große Mengen ionisierter Luft mit niedriger Geschwindigkeit für langsames Fahren und Schweben erzeugen könnte, aber seinen Lufteinlass verengen könnte, um kleinere Mengen ionisierter Luft mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, um auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Rosas vorgeschlagenes MHD-Fahrzeug könnte im VTOL-Stil landen und starten, sodass keine umfangreiche Infrastruktur erforderlich wäre.

Ein Raumfahrzeug vom Typ WEAV könnte durch die Luft beschleunigen und sobald es die obere Atmosphäre erreicht hat, sein Materie-Antimaterie-Energiesystem verwenden, um Reaktionsmasse wie Wasser zu ionisieren, das in Treibstofftanks gespeichert ist, um Umlaufgeschwindigkeiten zu erreichen, um sich mit der Raumstation zu treffen.

ZUM BEARBEITEN HINZUGEFÜGT

Ein einstufiges Raumschiff mit einer Materie-Antimaterie-Energiequelle kann sich effektiv selbst auf die von seinen Betreibern gewünschte Geschwindigkeit beschleunigen. Dies ist mehr als ausreichend, um sich während eines WEAV-Flugmodus mit Strom zu versorgen. Die WEAV-Flugmodi werden während des Abstiegs und Aufstiegs in der Atmosphäre angetrieben. Landungen und Starts werden VTOL sein.

Mit einer Materie-Antimaterie-Energiequelle wird dies erheblich mehr Energie erzeugen, als zum Erreichen der Umlaufgeschwindigkeit benötigt wird. Die Verwendung der direkten Massenvernichtung von Materie und Antimaterie zum Antrieb würde große Mengen an Gammastrahlung erzeugen. Das ist nicht gut. Es könnte jedoch leicht zum Antrieb eines leistungsstarken Raketenantriebssystems verwendet werden.

Es gibt zwei Arten von Reaktionsmassen, die das Fahrzeug verwenden kann. Einer, wie oben vorgeschlagen, ist Wasser. Zweitens ist flüssige Luft. Die flüssige Luft könnte erzeugt werden, während das Raumfahrzeug gelandet ist. Dies stellt sicher, dass das Fahrzeug während seines planetaren Abstiegs leichter ist. Wasser könnte auch von der Oberfläche des Planeten gesammelt werden. Andernfalls müsste es in den Kraftstofftanks des Fahrzeugs mitgeführt werden.

Unabhängig davon, welche Art von Brennstoff für die Reaktionsmasse verwendet wird, ist das Verfahren das gleiche. Unter Verwendung der Ausgangsleistung seines Materie-Antimaterie-Systems wird die Reaktionsmasse vollständig ionisiert und über leistungsstarke magnetohydrodynamische Beschleuniger beschleunigt. Anstelle einer Abgasgeschwindigkeit von 4 km/s aus dem chemischen Raketenantrieb könnte die beschleunigte ionisierte Reaktionsmasse von MHD eine Abgasgeschwindigkeit von 100 km/s haben. Das bedeutet, dass das Fahrzeug viel weniger Reaktionsmasse verbraucht als ein chemisches Raketensystem.

Das Fahrzeug wird auch in der Lage sein, seine Beschleunigungsrate zu regulieren, sodass selbst ungeschultes Personal diesen Fahrzeugtyp ohne allzu große Beschwerden oder Probleme fliegen kann. Dies könnte eine Beschleunigung sein, die sich während der Raketenantriebsphase auf nicht mehr als zwei Gravitation hält. Mit so starken Motoren wie diesen wäre es jedoch ohne weiteres möglich, weitaus höhere Beschleunigungswerte zu erreichen. Doch zum Wohle seines Personals kann die Beschleunigung in sicheren Grenzen gehalten werden.

Der MHD-Raketenmodus würde für Anflüge zu Starts und Landungen von und auf einem Planeten verwendet. Entweder von der Umlaufgeschwindigkeit abbremsend oder bis zur Umlaufgeschwindigkeit beschleunigend, könnte das Fahrzeug für die Fahrt von oder zur Raumstation ein Plasmaantriebssystem mit einer Beschleunigung von etwa einem Zentimeter pro Quadratsekunde verwenden.

Diese Version eines einstufigen Raumfahrzeugs wurde entwickelt, um die Leistungskapazität des Materie-Antimaterie-Generators voll auszuschöpfen. Es verfügt über drei Flug- und Antriebsmodi: (1) WEAV-Plasma-Lift-Technologie für Flüge in Atmosphären während des Auf- und Abstiegs. (2) Ein Hochimpuls-Raketenantriebssystem mit vollständig ionisierter Reaktionsmasse, verstärkt durch MHD-Beschleuniger mit einer Abgasgeschwindigkeit von etwa 100 km/s. (3) Ein Plasmaantriebssystem für interplanetare Reisen mit einer Beschleunigung von einem Zentimeter pro Quadratsekunde. Es arbeitet auch mit G-Kräften, die für normales ungeschultes Personal sicher sind.

Zunächst einmal stelle ich mir vor, dass Weltraumstarts in der mittleren Zukunft einen von zwei Wegen gehen: Entweder eine massive Struktur, die Dinge in den Weltraum befördert, wie ein Weltraumaufzug oder ein Skyhook , oder ein bodengestütztes Startsystem, das die für den Start benötigte Energie wie ein Massentreiber bereitstellt oder Strahlwerfer . Diese entsprechen nicht Ihren Spezifikationen, aber der Grund, warum ich sie erwähne, ist, dass sie, wenn sie machbar werden, wahrscheinlich die Entwicklung aller raketenbasierten Systeme ersetzen werden, da sie nicht der Tyrannei der Raketengleichung unterliegen. Wenn Sie also ein Universum wollen, in dem fortschrittliche Raketen das Ding sind, sollte es wahrscheinlich keine der oben genannten Methoden haben, da sie die besagten Raketen übertreffen würden.

Nun zu den Raketen. Die beste Idee, die ich bisher gesehen habe, ist SABRE , die wirklich nur eine geringfügige Verbesserung gegenüber einer neueren chemischen Rakete darstellt. Wichtig ist auch, dass SABRE möglicherweise nicht funktioniert, wenn Ihre Atmosphäre nicht etwa den gleichen Druck wie die Erde hat, und nicht funktioniert, wenn Ihre Atmosphäre zu wenig Sauerstoff enthält. Sie können also nicht sagen, dass es für alle Landpflanzen / Monde nützlich ist.

Atomraketen haben nicht das Zeug dazu. NERVA war so einsatzbereit wie nie zuvor eine solche Rakete. Es hatte ein Schub-zu-Gewicht-Verhältnis von 1:5,2, konnte es also nicht ins All schaffen. Kernreaktoren sind schwer und ich bin zuversichtlich, dass kein Spaltsystem jemals einen Schub auf ein Gewicht von mehr als 1 haben könnte. Bei Fusionsraketen ist die Mechanik zu diesem Zeitpunkt unklar, also kann ich auch nicht sagen, ob Sie sie verwenden könnten, um ins All zu gelangen . Die verschiedenen elektromagnetischen Antriebsmethoden erzeugen einen großen spezifischen Impuls, jedoch auf Kosten eines geringen Schubs und eines Schub:Gewichts von weniger als eins.

Zusammenfassend ist mir also keine vorgeschlagene Technologie bekannt, die Sie viel effizienter aus einer erdähnlichen Schwerkraft heraus in den Weltraum bringt als eine chemische Rakete. Ich habe das Gefühl, dass für realistische Science-Fiction die Menschheit zwischen denen, die in Gravitationsbrunnen leben, und denen, die dies nicht tun, geteilt wird, und es wird nicht zu viel Verkehr zwischen ihnen geben.

Antriebstechn

Kernthermische Raketen wurden bereits erwähnt, aber lassen Sie uns das mehr auf Ihre Frage zuschneiden. Sie sagten, es gibt kein Tech-Limit? Dann nichts wie los mit einer Fusion -Thermalrakete! Die Arbeitsprinzipien sind die gleichen - anstatt zwei Reaktanten für den Schub zu verbrennen, leiten Sie Flüssiggas über etwas Heißes, damit es sich in ein Gasgas verwandelt. Der Unterschied ist unsere Wärmequelle (und das Wärmeniveau).

Die Verwendung Ihres heißen Sternkern-Fusionsreaktors als Wärmequelle macht die Dinge viel effizienter - das Abgasplasma mit höherer Temperatur bedeutet, dass es sich mit höherer Geschwindigkeit bewegt, und daher ist unser spezifischer Impuls (Gasverbrauch für Raketen) weit, weit überlegen. Es eröffnet auch einen interessanten Kompromiss. Da unser Reaktor eine feste Menge an Wärmeenergie pro Sekunde abgibt, kann ich einen absurd hohen ISP erhalten, wenn ich meine Motoren im Niedrigschubmodus betreibe. Das liegt daran, dass ich eine riesige Menge Wärmeenergie in eine winzige Menge Brennstoff stecke. Großartig für Orbitaloperationen, aber nicht so sehr für Start/Landung. Dafür würde ich mehr Treibstoff in die Rakete werfen, um die Effizienz zu verringern, aber den Schub erheblich zu erhöhen.

Als Kraftstoff können Sie nur Luft verwenden. Wenn Sie sich in einer Planetenatmosphäre befinden, schöpfen Sie einfach alles auf, was sich dort befindet, und führen Sie es über Ihren Motor – es funktioniert in inerten Atmosphären genauso gut wie in sauerstoffreichen. Verlassen Sie sich im Weltraum auf eine interne Versorgung mit flüssigem Wasserstoff. Es ist kein großes Problem, da Sie wahrscheinlich ohnehin Manöver mit niedrigem Schub und hoher Effizienz für Orbitaloperationen benötigen werden.

SCRAMJets sind eine weitere Option, die jedoch mit einigen Problemen verbunden ist. Sie arbeiten nur bei bereits hohen Geschwindigkeiten in der Erdatmosphäre und sind sehr fehlerintolerant. Dies hat hauptsächlich damit zu tun, die Stoßwellen so zu formen, dass sie im Triebwerk bleiben – es gibt einige spekulative Designs für SCRAMJets mit variabler Geometrie, die über einen größeren Bereich von Fluggeschwindigkeiten brauchbar bleiben.

Das Problem ist, dass Motoren schwer sind und nur in bestimmten Bereichen am besten funktionieren. Ich könnte weiterhin verschiedene Motortypen anpeilen, aber das würde eine enorme Massenstrafe bedeuten. SCRAMJets haben hier einen kleinen Vorteil, weil sie ohne bewegliche Teile auskommen, aber dennoch sehr robust gebaut sein müssen, um den Kräften und Hitzebelastungen standzuhalten, denen sie ausgesetzt sind.

Das Handwerk selbst

Die Tatsache, dass wir es mit Hyperschallflug und Wiedereintritt zu tun haben, schränkt unsere Gestaltungsmöglichkeiten stark ein. So etwas wie ein X-33 Venture Star wie das Anheben des Körpers würde in diesen Regimen gut funktionieren (und Sie möchten es für diese Regime optimieren, denn wenn Sie dies nicht tun, wird es Ihr SSTO und Ihre Crew zerfetzen. Die Raumflugzeuge von Avatar sind es - leider - ein weiteres gutes Beispiel, aber nicht ganz so gut wie das erste, weil diese dünnen Flügel nicht allzu gut für den Hyperschallflug sind.

Wenn das Design es zulässt, würde es für Ihre VTOL-Anforderung ziemlich gut funktionieren, Kippmotoren im Fahrzeug zu haben. Die dafür erforderlichen Mechanismen erhöhen jedoch das Gewicht, die Komplexität, die Zerbrechlichkeit und den Platzbedarf des Fahrzeugs erheblich. Was ich tun würde, ist, meine Fusionsreaktoren so zu montieren, dass sie mit dem Massenmittelpunkt übereinstimmen. Auf diese Weise kann ich das Wasserstoffplasma für den VTOL-Schub direkt nach unten und dann für den Vorwärtsschub nach hinten entlüften.

Wenn Sie die Option mit mehreren Triebwerken wünschen und einen Weg finden, SCRAMJets mit geringer Masse herzustellen, können Sie ein paar davon in das Fahrzeug stecken. Dies hängt auch davon ab, wie stark Ihre Fusionsantriebe sind – zu gut und die Energiefreisetzung beim Verbrennen von Wasserstoff in Ihrem SCRAMJet wird sie erbärmlich und wertlos machen.

Das ist alles sehr spekulativ, aber Sie sagten kein Tech-Limit. PS. Halte dich von Antimaterie fern. Es klingt cool, aber die Probleme sind fast zu zahlreich, um sie zu zählen.

Um auf Planeten ohne Infrastruktur zu landen, müsste das Schiff wie ein Helikopter starten und landen, da keine Landebahn vorhanden wäre. Um mit Geschwindigkeit durch die Atmosphäre zu fliegen, wäre ein aerodynamisches „Flugzeug“-Design erforderlich. Ich stelle mir vor, Ihr Schiff würde so etwas wie ein Reaver von planetside2 aussehen:

Die Flügel dieses Flugzeugs drehen sich, sodass die Düsen entweder zum Schweben nach unten oder zum Fliegen nach hinten zeigen können. Der Vorteil von Flügeln besteht darin, dass das Fahrzeug beim Wiedereintritt in die Atmosphäre gleiten kann, wodurch der Bedarf an zusätzlichem Treibstoff bis zur Landung entfällt.

Wie Michael Karnerfors sagte, ist ein Raumflugzeug die beste Wahl. Das Problem hier ist der Kraftstoff:

Mit einem realistischen Treibstoff würde dieses Fahrzeug jedes Mal, wenn Sie in den Weltraum zurückkehren wollten, einen neuen Satz Raketen benötigen. Laut Wikipedia :

Derzeit wird kein vollständig wiederverwendbares Orbitalstartsystem verwendet. Das nächste Beispiel war das teilweise wiederverwendbare Space Shuttle. Der Orbiter, der die Haupttriebwerke des Space Shuttles und die beiden Feststoffraketen-Booster umfasste, wurde nach mehrmonatiger Umrüstung für jeden Start wiederverwendet. Der Außentank und der Lastrahmen der Trägerrakete wurden nach jedem Flug entsorgt. Derzeit befinden sich jedoch mehrere zumindest teilweise wiederverwendbare Systeme in der Entwicklung, wie beispielsweise die Falcon 9 Full Thrust (erste Stufe).

Der Falcon 9 ist das einzige andere existierende wiederverwendbare System, aber er kann nicht in der Atmosphäre fliegen (abgesehen davon, dass er gerade nach oben und unten geht).

Ihre beste Wahl ist so etwas wie der Reaver, aber mit einem futuristischen Treibstoff, der sowohl leicht als auch leistungsstark ist und auf den meisten Planeten zum Auftanken nach der Landung erhältlich ist. (Vielleicht etwas Radioaktives, dies kann jedoch die Atmosphäre durch Strahlung erheblich schädigen.)

BEARBEITEN:

Angenommen, wie die Frage besagt, dass ein neuer fututistischer Treibstoff leicht verfügbar ist, würde das Reaver-Design gut funktionieren. Ein futuristischer Treibstoff könnte genug Energie erzeugen, um wiederholt in die Umlaufbahn ein- und auszutreten, ohne dass ein Auftanken oder die Verwendung von entbehrlichen Raketen erforderlich ist.

Die beste allgemeine Antwort ist, dass Sie eine Art externe Stromquelle verwenden müssen, um die für den Flugbetrieb erforderliche Energie bereitzustellen. Laserthermische oder Mikrowellenstrahlen von Energie zum Erhitzen und Ausstoßen von Reaktionsmasse wie Wasser oder flüssigem Wasserstoff sind eine kurzfristige Möglichkeit, aber selbst mit einem ISP von 8-1200 sind Sie wahrscheinlich immer noch streng darauf beschränkt, wie viel Fracht oder Passagiere Sie aufnehmen können tragen. Sie haben auch das Problem, Ihr Schiff für jeden Flug mit Reaktionsmasse und der Laserinfrastruktur aufzufüllen, um die Energie bereitzustellen (nicht nur der Laser, sondern auch die Verfolgungsinfrastruktur, Wärmeabweisungsgeräte und andere Hilfsgeräte).

Die Antwort von a4android bietet eine Alternative, und Leik Myrabo arbeitete in den 1980er und 90er Jahren an Variationen dieser Idee. Direkter Schub durch Erhitzen der Luft zu einem Plasma oder indirekter Schub unter Verwendung von MHD-Beschleunigern auf der Außenfläche des Fahrzeugs wurden alle in verschiedenen Detailstufen untersucht, und eine lasergetriebene Rakete wurde auf eine Testentfernung gestartet (die Grenze bestand darin, den Laser daran zu hindern "blendende" Satelliten, die über sie hinwegfliegen). Dieses Video gibt Ihnen eine Vorstellung davon, was getan wurde.

Die kurze Antwort lautet also, dass es Technologien gibt, die Sie dem angestrebten Ziel nahe bringen können, aber in der Regel eine externe Energieinfrastruktur für den Antrieb benötigen. Flüge innerhalb einer Atmosphäre sind kein Problem, aber Flüge im freien Weltraum oder zu einem luftlosen Mond/Asteroiden erfordern immer noch das Erhitzen und Ausstoßen von Reaktionsmasse, was Sie auf Fahrzeuge mit ISPs zwischen 8 und 1200 beschränkt. (Zum Vergleich, die beste chemische Reaktion von H2 und O2 gibt Ihnen einen ISP von 425-450. Das Space Shuttle beförderte etwa 2000 Tonnen Treibmittel im Außentank und benötigte noch zwei Festbrennstoff-Booster, um es beim Abheben zu unterstützen).