Starten einer Rakete von einem Wetterballon für eine sehr kleine Nutzlast

Sie haben die richtige Idee. Für sehr kleine Nutzlasten, die von sehr kleinen Raketen gestartet werden, wird es immer attraktiver, die Rakete so weit wie möglich über die Atmosphäre zu bringen.

Und Sie befinden sich in guter Gesellschaft, denn das Space Ship Two von Virgin Galactic , der Pegasus von Orbital ATK und der Stratolaunch von Scaled Composites sind alle aktuelle oder in naher Zukunft befindliche Luftstartplattformen. Übrigens weist der Artikel des Wired Magazine über die von Microsoft-Mitbegründer Paul Allen gegründete Stratolaunch darauf hin, dass es das größte Flugzeug der Welt sein wird.

Es gibt mehrere hilfreiche Antworten auf die Frage Kann ein Miniatur-Saturn V zum Mond und zurück gelangen? und Sie sollten sie alle lesen, aber ich fasse die Probleme als Luftwiderstand und "Schwerkraftwiderstand" zusammen und sage hier nur, dass der Schub schneller abnimmt als der Luftwiderstand, wenn Sie eine Rakete verkleinern. Dies führt dazu, dass die Rakete im dichten Teil der Atmosphäre langsamer beschleunigen muss, um den Luftwiderstand zu verringern, was zu einer sekundären „Schwerkraftwiderstandsstrafe“ führt, dem Bruchteil des Schubs, der erforderlich ist, um die Rakete einfach daran zu hindern, auf die Erde zurückzufallen . Es ist ein bisschen so, als müsste man ständig auf das Pedal eines Fahrrads treten, nur um nicht rückwärts einen Hügel hinunter zu rollen, außer dass Raketen durch aktiven Schub schieben müssen, weil sie den Boden nicht berühren.

Aus diesem Grund neigen kleine Raketen dazu, sehr lang und dünn zu sein , um mehr Schub hinter sich zu bringen und gleichzeitig die Fläche zu minimieren. Das funktioniert nur bedingt, weil die Seiten der Rakete auch einen Luftwiderstand erzeugen, sonst hätten wir lächerlich lange, dünne Nadelraketen.

Für eine Nutzlast von 500 oder 100 Gramm und eine kleine Rakete (was so aussieht, als wäre sie erschwinglich, bis Sie die Zahlen kennen), ist es eine großartige Idee, in die Luft zu kommen!

Das große Problem ist, dass man beim Verkleinern von Raketen am Ende andere Kompromisse eingeht, indem man es billiger und einfacher macht. Dadurch ist die Leistung geringer. Ein "Mini-Saturn-V" wird es nicht. Dieser Kommentar von @Deimophobia verweist auf die Analyse von Dorin Patru, Jeffrey D. Kozak und Robert J. Bowman am Rochester Institute of Technology, die auf der 20. jährlichen AIAA/USU-Konferenz über kleine Satelliten als benutzerdefiniertes Startsystem für vorgestellt wurde Satelliten kleiner als 1 kg .

Die LEO-Umlaufgeschwindigkeit, dh 200-300 km, beträgt$v_{LEO}$= 7600 m/s. Insgesamt$\Delta v_{LOSS}$von 1600 m/s angenommen, aufgrund von (1) Schub-atmosphärischem Verlust, (2) Widerstandsverlust, (3) Schwerkraftverlust und (4) Manövrier- und Startfensterzulage. Die atmosphärischen Schub- und Luftwiderstandsverluste werden aufgrund der sehr großen Höhe des gesamten Motorflugs im Vergleich zu einem Start auf Meereshöhe viel kleiner sein.

Außerdem machst du es am Ende relativ schwerer. Was bedeutet das? Eine wirklich leistungsstarke große Rakete kann weit über 90 % ihrer Masse als reines Treibmittel haben. Ich denke, der Rekord liegt bei 94% oder 95%, aber ich suche immer noch nach einer Quelle. Aber wenn man eine kleine Rakete baut, wird das richtig schwierig. Alle Strukturkomponenten, Behälter und den Motor so klein und leicht zu machen, wird zu einer echten Herausforderung, und das bedeutet teure Materialien und Fertigungstechniken, die Bastlern nicht zur Verfügung stehen. Die RIT-Arbeit erklärt, dass die von ihnen gebaute Teststufe nie auf das "Verhältnis von Struktur zu Treibmittelmasse von 1/10" abzielte, da es für Bodentests gedacht war. Das wäre noch schwieriger gewesen.

Sie zeigen das für eine kleinere Rakete mit einem ziemlich sicheren Hybrid$I_{SP} = 230 \text{s}$Motordesign, das immer noch weit über dem "Hobby-Niveau" liegt, benötigen Sie mindestens 100.000 US-Dollar, ein Team von Leuten, einige Funkgeräte und eine etwa 200 kg schwere, vierstufige Rakete, um 1 kg in LEO zu packen.

Weltraumfähige Raketen sind viel schwieriger und teurer herzustellen als Hobbyraketen, wie der Motorvergleich in dieser Antwort zeigt .

Sie müssen auch mehrere Dokumente einreichen und die Genehmigung einiger seriöser Regierungsbehörden erhalten.

Dieselbe Rakete müsste viel viel größer sein, um von der Erde zu starten, ich schätze 500 bis 1000 kg, aber der Punkt ist, dass es immer noch keine "Hobbyrakete" sein wird, um von einem Ballon aus in die Umlaufbahn zu gelangen. Es ist immer noch eine ziemliche technische Herausforderung, und wenn Sie diese Art von herausfordernder Rakete bauen können, dann wird das Wachsen der Rakete immer attraktiver, wenn Sie vor der Wahl stehen, den Aufwand des Ballons gegenüber dem bloßen Vergrößern der Rakete zu wählen.

Wenn Sie mehr über das RIT-Papier erfahren möchten, hinterlassen Sie einen Kommentar und ich werde die Diskussion erweitern.

unten: Screenshots von A Custom Launch System for Satellites Smaller Than 1 kg .

Die Verwendung eines Ballons zur Erhöhung Ihres Startorts ist nur dann wirklich von Vorteil, wenn Sie kleine Nutzlasten in die Umlaufbahn bringen, wo die startende Rakete sonst erhebliche aerodynamische Verluste erleiden würde.

Wie auf Seite 7 dieser Biografie von James van Allen angegeben , wurde der Rockoon (Kombination aus Ballon und Rakete) eingeführt, weil er es ermöglichte, große Höhen mit kleinen, aber nützlichen Nutzlasten zu sehr geringen Kosten zu erreichen.

Im Gegensatz zu einer Höhenforschungsrakete, bei der das Hauptziel darin besteht, die maximal mögliche Höhe zu erreichen, die mehr oder weniger gerade nach oben und unten fliegt, erfordert ein Orbitalstart eine große Änderung der Winkelgeschwindigkeit um den Massenmittelpunkt, von dem Sie starten - die Erde, in der Fall aller gegenwärtigen menschlichen Leser dieser Seiten.

Ihre Ballonstartplattform könnte Sie auf Ihrer Reise in den Orbit an den meisten aerodynamischen Widerständen vorbeibringen, aber die meisten (größeren) Raketen verbrauchen viel mehr Treibstoff, um die Schwerkraft zu bekämpfen, als Luft aus dem Weg zu schieben. Wenn Ihre Rakete jedoch kleiner wird, wird der atmosphärische Luftwiderstand zu einem immer wichtigeren Faktor, bis Sie anfangen, an die Grenzen zu stoßen, wie klein Sie einen Orbitalwerfer machen können .