Wäre das Starten eines Shuttles aus einem Winkel von 45 Grad für eine Railgun am sparsamsten?

Zwei Probleme:

1. Jede erreichte Umlaufbahn wird (ohne Berücksichtigung von Störungen) den Punkt durchlaufen, an dem sie zuletzt durch eine äußere Kraft verändert wurde. Im Falle Ihrer Railgun, wenn sie auf dem Boden ist, schneidet jede mögliche Nicht-Flucht-Trajektorie auch den Boden. Für eine nachhaltige Umlaufbahn benötigen Sie einen zweiten Impuls in der Nähe des Apogäums, um das Perigäum über die Atmosphäre zu heben.

2. Jeder Start, der auf Railguns basiert, wird zu Beschleunigungsgrößen führen, die so groß sind (Tausende von Gs), dass alles, was einem erkennbaren Raumschiff ähnelt, ganz einfach zerquetscht wird.

Um die Beschleunigung handhabbar zu halten, benötigen Sie eine sehr lange Railgun: Sagen wir 8000 m/s benötigte Geschwindigkeit, 40 m/s ² Beschleunigung (4G), das sind 8000/40 = 200 Sekunden „Flug“ auf der Schiene. Das sind 800 km. Das ist unmöglich, in einem Winkel von 45º zu bauen (der höchste, den wir bauen können, ist ungefähr 10 km), so dass ein viel flacherer Winkel diktiert wird.

Dabei wird die Wärmelast in der Atmosphäre außer Acht gelassen, wie Uwe sagte, es ist fast unmöglich, ein Raumschiff auf Meereshöhe auf Umlaufgeschwindigkeit zu beschleunigen, ohne dass es verbrennt.

Es ignoriert auch den Widerstand der Atmosphäre: Sobald es die Schiene verlässt, wird das Raumschiff langsamer.

45 Grad sind wahrscheinlich nicht ideal.

... hängt aber von Ihrem Shuttle-Design ab.

Um in die Umlaufbahn zu gelangen, müssen Sie schnell fliegen , nicht hoch. Es ist jedoch schwierig, in niedrigen Höhen schnell zu fahren, da viel Luft im Weg ist. Wenn Sie höher fahren, ist es einfacher, schnell zu fahren, da weniger Luft vorhanden ist. Aber auch nach dem Aussteigen muss es schnell gehen.

Der Luftwiderstand ist eine Kraft (dh Beschleunigung), die der Geschwindigkeit entgegengesetzt skaliert. Je schneller du also fährst, desto mehr drückt dich der Wind nach hinten. Dieser Widerstand skaliert auch mit der Dichte der Luft, denn dichtere Luft bedeutet, dass mehr Luftmoleküle im Weg stehen.

Wenn wir davon ausgehen, dass Ihr Shuttle nur einen "Go"-Knopf an seinem Antrieb hat und dann einen voreingestellten Schub liefert, maximieren Sie die Geschwindigkeit, die Sie aus diesem Schub herausholen, indem Sie die Kraft minimieren, die die Luft auf Ihr Shuttle ausübt. Für die meisten Raketen sieht das so aus, als würden sie (fast) gerade nach oben starten und sich dann langsam immer weiter in Richtung der gewünschten Umlaufbahn krümmen. Für alles, was im Grunde wie eine Rakete ist, ist dies wahrscheinlich die optimale Methode.

Aber Ihr Shuttle kann andere Einschränkungen haben. Vielleicht starten Sie es superschnell, haben aber eine Möglichkeit, den Luftwiderstand so weit zu minimieren, dass es mit der Energie des Starts aus der Atmosphäre fliegt und dann in die Umlaufbahn schießt. Vielleicht sind 45 Grad deine maximale Höhe, denn danach geht dir der Berg aus. Vielleicht können Sie das Shuttle sehr, sehr schnell starten und es nur in elliptische Umlaufbahnen (wie nicht ganz Molniya-Umlaufbahnen) starten. Es kann eine Reihe von Gründen geben, warum 45 Grad für Ihre Anwendung gut sind. Generell würde ich aber nicht erwarten, dass 45 Grad optimal sind.

Die beste Einführung, die ich zum Thema Weltraum kenne, ist die Einführung der US Air Force, die kostenlos erhältlich ist: http://space.au.af.mil/au-18-2009/index.htm .

Wenn Sie Orbits im Detail verstehen möchten, einschließlich der An- und Abreise aus dem Orbit, ist Sellers' Understanding Space gut.

Wenn Sie die Atmosphäre ignorieren, sagen wir, Sie starten vom Mond aus, der beste Startwinkel wäre 0 Grad.

Auf diese Weise können Sie auf Meereshöhe auf Orbitalgeschwindigkeit beschleunigen und so viel, wie Sie benötigen, um direkt in eine Hohmann-Transferbahn zu gelangen, indem Sie nur die Railgun verwenden. Danach benötigen Sie nur noch eine kleine Menge Treibstoff aus dem Shuttle selbst, um die Umlaufbahn zu kreisförmigisieren.

Wenn Sie in einem höheren Winkel starten, erreichen Sie die Höhe Ihrer gewünschten Umlaufbahn schneller, aber mit einer geringeren Geschwindigkeit. Das heißt, Sie bekommen weniger Energie aus der Railgun und bräuchten mehr vom Shuttle.

Wie andere bereits erwähnt haben, wird die ganze Idee, eine Railgun zu verwenden, sehr schwierig, sobald eine Atmosphäre ins Spiel kommt.

Wie andere bereits erwähnt haben, verlaufen Umlaufbahnen durch den letzten Punkt, an dem eine Kraft auf den Körper einwirkte, sodass ein Schuss im 45-Grad-Winkel (versuchen) wird, am Startpunkt im gleichen Winkel durch den Boden zurückzukehren. Offensichtlich wird das nicht funktionieren, weil viel Erde dazwischen liegt.

Was ist nun der beste Winkel? Nochmals, weil Orbits durch den letzten Beschleunigungspunkt zurückgehen (ja, ich weiß, dass es immer Beschleunigung gibt, du weißt, was ich meine), wirst du wieder beschleunigen müssen, sobald du im Weltraum bist, oder dein Shuttle wird wieder- in die Atmosphäre eintreten und die Umlaufbahn nicht erreichen.

Ihr Ziel sollte also sein, es in den Weltraum zu schaffen und dann Triebwerke abzufeuern, um auf Umlaufgeschwindigkeit zu beschleunigen. Das ideale Szenario hier ist, dass Sie Ihre Railgun bei 0 Grad (tangential zur Oberfläche) schießen und darauf abzielen, dass sich Ihr höchster Punkt genau auf der gegenüberliegenden Seite der Erde befindet, in der Höhe, die Sie umkreisen möchten. Das Problem dabei ist, dass viel Luft im Weg ist, sodass Sie Hunderte von Kilometern wie ein Meteor durch den Himmel rasen werden. Nicht sehr effizient und wird sehr wahrscheinlich Ihr Shuttle zerstören.

Versuchen wir also, die Flugzeit in der Atmosphäre zu minimieren. Der beste Weg, dies zu tun, ist, direkt nach oben zu gehen. Versuchen wir also, die Railgun in einem 90-Grad-Winkel abzufeuern. Sie werden hoch in den Weltraum fliegen, bis Sie den höchsten Punkt erreichen, an dem Sie Ihre Triebwerke verbrennen, bis Sie die Umlaufgeschwindigkeit erreichen. Das Problem bei diesem Szenario ist, dass Sie am oberen Ende Ihres Fluges sehr wenig horizontale Geschwindigkeit haben (Sie werden etwas von der Erdrotation bekommen haben, aber weil Sie viel höher als die Erdoberfläche sind, und wenn Sie Zünden Sie Ihre Motoren nicht, die Oberfläche wird an Ihnen vorbeiziehen und Sie werden dahinter landenwo Sie abgehoben haben). Das Ergebnis (verstanden?) Hier ist, dass Sie mehr Treibstoff verbrennen müssen, um eine Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen, als wenn Sie auf die 0-Grad-Umlaufbahn geschossen hätten, um den Mangel an horizontaler Geschwindigkeit auszugleichen (das setzt voraus, dass es keine Atmosphäre gibt; es ist wahrscheinlich nicht möglich bei 0 Grad mit einer Atmosphäre zu starten).

Sie müssen also etwas dazwischen tun. Das Dazwischen zu finden ist sehr schwer; Sie müssen abwägen, wie viel Luftwiderstand Sie bereit sind zu ertragen, und wie viel Treibstoff Sie benötigen, um die Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen. Je niedriger der Winkel, desto weniger Treibstoff benötigen Sie, aber desto schneller müssen Sie Ihr Shuttle von der Rail-Gun starten und desto mehr Atmosphäre müssen Sie durchqueren, um ins All zu gelangen. Denken Sie daran, dass je schneller Sie das Shuttle starten, desto wahrscheinlicher ist es, dass es in der Atmosphäre verbrennt, und je mehr Treibstoff Sie benötigen, um die Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen, desto größer muss Ihr Shuttle sein und desto mehr Luftwiderstand wird es haben in der Atmosphäre darauf einwirken.

All dies setzt schließlich voraus, dass Sie eine Railgun haben, die Ihr Shuttle von Anfang an abfeuern kann. Die Energiemenge, die benötigt wird, um ein Shuttle vom Stillstand auf Orbitalgeschwindigkeit zu bringen, ist astronomisch (sorry für die Wortspiele). All diese Energie in einer so kurzen Zeit zu verbrauchen, wie Sie es in Betracht ziehen, würde lächerliche Mengen an Kraft erfordern, und das wird wahrscheinlich Ihr begrenzender Faktor sein, wenn es darum geht, diesen Plan zum Funktionieren zu bringen.

Vielleicht möchten Sie versuchen, diese Frage im Physik-Stack-Austausch zu posten. Es könnte sein, dass jemand mit viel besseren Aerodynamik-Kenntnissen als ich Ihnen zumindest eine bessere Vermutung geben kann. Abgesehen davon werde ich sagen, dass Sie nach einer fundierten Vermutung wahrscheinlich fast gerade nach oben schießen müssen, wenn dies überhaupt möglich ist, oder Sie werden in der Atmosphäre verbrennen.

Wie viele vor mir kommentiert haben, gibt es einen Kompromiss zwischen dem Gewinn an Höhe (um den Luftwiderstand zu verringern und das höchstmögliche Perigäum anzuheben) und dem Gewinn an horizontaler Geschwindigkeit (Reduzierung der Delta-V-Anforderungen des Raumfahrzeugs auf ein überschaubares Niveau, Anhebung des tatsächlichen Perigäums). Da Sie wissen, dass Sie eine sehr lange Railgun haben müssen, um G-Lasten zu reduzieren, können Sie tatsächlich den idealen Bewegungspfad auf sehr ähnliche Weise wie normale Raketenstartbahnen modellieren. Sie würden einfach die Beschleunigung der Waffe durch die zunehmende Beschleunigung der Raketentechnik ersetzen.

Ich sehe nicht, dass die Kosten einer so enormen Struktur in absehbarer Zeit geringer sein werden als die Kosten der Ineffizienz der Raketengleichung, insbesondere wenn man bedenkt, dass Sie mehrere Kanonen oder eine rotierende Kanone benötigen würden, um unterschiedliche Bahnneigungen ohne eine enorme Menge an Raumfahrzeugen zu bedienen Delta-v.

So undurchführbar das Projekt auch ist und wahrscheinlich noch einige Zeit bleiben wird, können wir im Wesentlichen sagen, dass die optimale Form Ihrer Waffe keine Linie in einem bestimmten Winkel ist, sondern eine Kurve, ähnlich einer Schwerkraftkurve.