Warum benutzen wir keine Katapulte, um in den Weltraum zu gelangen?

Ich tendiere zu Option 2, dass Sie "etwas schrecklich falsch in [Ihrem] Denkprozess haben" . Hier sind zumindest einige Argumente warum; Ich erhebe keinen Anspruch auf Vollständigkeit:

Mach 3 (was für ein Kampfflugzeug ziemlich schnell ist, am oberen Ende der derzeit erreichbaren Reichweite) liegt genau bei 1 km / s (Google nennt es 1020,87 m / s), und Sie müssen ursprünglich nicht so schnell fahren , gerade schnell genug für einen anhaltenden Flug, also wahrscheinlich höchstens näher an Mach 0,5 , wenn Sie die Landebahn verlassen. Die Erdumlaufgeschwindigkeit beträgt etwa 7 km/s (zum Vergleich: Translunar beträgt 11 km/s).

Das Gewicht eines Flugzeugs ist im Vergleich zu praktisch jedem Raumfahrzeug trivial. Die Beschleunigungsarbeit wächst exponentiell mit der Zielgeschwindigkeit und der Objektmasse – beides macht dies zu einem ernsthaften Problem.

Beschleunigung tötet; Gehen Sie weit über 10 G (was ist was, 100 m / s ^ 2?) Und ein Mensch wird zu einem nassen Fleck an der Rückwand. Die Beschleunigung während des Start- und Steigvorgangs eines Raumfahrzeugs ist nicht trivial, jedoch viel einfacher zu handhaben, da sie auf einem sicheren Niveau gehalten werden kann, während sie aus den schlimmsten Tiefen der Schwerkraft der Erde herausklettert. Sie müssen nicht direkt von der Startrampe auf eine annähernd gleichmäßige Umlaufgeschwindigkeit springen.

Was ist, wenn der Hauptmotor nicht anspringt, nachdem das Schiff auf eine beträchtliche Geschwindigkeit katapultiert wurde? Wenn der Hauptmotor eines aktuellen Raumschiffs auf der Startrampe nicht aufleuchtet, ist das ein großes Ärgernis und wahrscheinlich Grund für einige grimmige Blicke gegenüber einer Reihe von Technikern, aber nichts wirklich Schlimmeres als das. Wenn Sie bereits in der Luft sind und sich mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit in einem vollgetankten Raumschiff bewegen (denken Sie daran, dass Raketentreibstoff ein wirklich unangenehmes Zeug ist) und der Hauptmotor aus irgendeinem Grund nicht planmäßig anspringt, was tun Sie dann? Sie machen? Abhängig von der (ballistischen) Flugbahn und der Manövrierfähigkeit des Raumfahrzeugs könnte selbst eine Zündung mit ein paar Sekunden Verspätung einige sehr ernsthafte Probleme bergab bedeuten.

Die Atmosphäre ist in Bodennähe am dicksten, genau dort, wo Sie mit Ihrem Schema eine sehr hohe Beschleunigungsrate sehen würden. Bei gängigeren Raketendesigns ist die Beschleunigung in Bodennähe relativ trivial, und sie beginnen erst in einiger Entfernung über dem Boden wirklich an Geschwindigkeit zu gewinnen. (In Bodennähe geht es Ihnen mehr darum, vom Boden abzuheben, als Geschwindigkeit aufzubauen. Selbst wenn Sie die ersten 10 km langsam steigen, haben Sie noch genügend Zeit, um Geschwindigkeit aufzubauen, bevor Sie die Umlaufbahn erreichen. )

Es ist nicht so, dass die Idee nicht vorgeschlagen wurde. Jules Verne hat dem, was Sie 1865 in De la terre à la lune vorschlagen, ziemlich nahe gekommen und ist Ihnen um etwa 150 Jahre zuvorgekommen. Es wurde 1903 ernsthaft in Betracht gezogen und kam zu dem Schluss, dass es nicht einmal vom technologischen Standpunkt aus funktionieren würde, obwohl es mit modernen Materialien vielleicht etwas praktischer sein könnte. Damit ist aber das Problem der Beschleunigung noch nicht gelöst, das zumindest in den 1950er Jahren auch in Belletristik gestreift wurde.

Fazit: Da es vorgeschlagen wurde und eine nicht praktikable Alternative gefunden hat, würde ich vorschlagen, dass Sie rechnen und uns sagen, warum es funktionieren würde , und die in dieser sowie der (derzeit einzigen) anderen Antwort geäußerten Bedenken ansprechen.

Masse der trägergestützten F-18: 40.000 kg Masse der Delta-II-Rakete: 230.000 kg Masse des Space-Shuttle-Stapels: 2.000.000 kg

Selbst wenn wir den Kraftstoff abzapfen können, der benötigt wird, um es in Bewegung zu setzen, müssen wir immer noch genug haben, um das Ding auf 7 km/s zu beschleunigen, und das ist der größte Teil des Kraftstoffs. Sie benötigen eine stärkere Struktur, um die Katapultkräfte zu bewältigen (was zusätzliches Gewicht hinzufügt, was mehr Kraft erfordert, die eine stärkere Struktur erfordert ...) und ein mächtiges Kabel, um so viel Kraft aufzubringen. Ich überlasse die Mathematik als Übung für den Leser.

Raketen können einfach einen sanften, stetigen Schub ausüben, bis sie schnell genug sind, und einige der früheren Raketen wie die Centaur hatten unter Druck stehende Körper - der Rahmen war nur etwa 1-2 mm dick und konnte sich ohne Innendruck nicht halten. Sie können es auf keinen Fall an einen Launcher anschließen.

Und um Ihre Idee völlig zu entkräften, es wurde bereits in der Fiktion gemacht. Teil II von 2001: Odyssee im Weltraum beginnt mit einem Pan-Am-Raumflugzeug, das von der Bahn gestartet wird, bevor die Raketen aufleuchten. Arthur C. Clarke ist Ihnen um 45 Jahre zuvorgekommen.

Du bist natürlich nicht der Erste, der daran denkt. Die Idee eines elektromagnetischen Katapults, um eine Nutzlast auf Orbitalgeschwindigkeit zu bringen, wurde schon früher vorgestellt ... ein paar Pläne, die mir in den Sinn kommen, sind der Launch Loop und StarTram.

http://en.wikipedia.org/wiki/Launch_loop

http://en.wikipedia.org/wiki/StarTram

Das Hauptproblem ist die schiere Größe der gesamten Anordnung, die im Allgemeinen in Hunderten oder Tausenden von Kilometern gemessen wird, wobei das Startende des Systems viele Tausend Meter hoch sein muss.

Die „Gen 1.5“-Version der StarTram kommt Ihrem Vorschlag am nächsten, da sie die Nutzlast nur mit 4 km/s beschleunigt, während der Rest von Bordantriebssystemen bereitgestellt wird. Die Spitzenbeschleunigung für eine kürzere Version des Systems (50–80 km) könnte unter 15 g liegen und somit für fitte Menschen potenziell überlebensfähig sein (wenn auch nicht besonders angenehm).

Ich werde ein wenig Fermi-Schätzung versuchen.

Massenbegrenzung

Ähnlich wie bei Raketen gibt es für Halteseile eine Exponentialgleichung. Der Wikipedia-Artikel darüber ist in Bezug auf die groben technischen Details eigentlich ziemlich solide. Leicht genug, wir können am Freigabepunkt etwas Geschwindigkeit einstecken und die materialcharakteristische Geschwindigkeit für M5-Fasern verwenden. Soweit ich das beurteilen kann, ist dies das vernünftigste Optimum unter den praktisch verfügbaren Materialien. Dann ist das Verhältnis der Masse des Halteseils zur Masse der Rakete gegeben durch:

Um im Geiste der Fermi-Schätzung zu bleiben, stellen wir uns eine Falcon 9 mit einer Startrampenmasse von 500.000 kg vor, die 10.000 kg in die Umlaufbahn bringt. Wenn wir einen technischen Faktor von 3 verwenden, können wir leicht die Geschwindigkeit berechnen, bei der das Katapult-Assistenzsystem so viel wiegt wie die Rakete auf der Startrampe. Dies liegt in der Nähe von 3 km/s.

Es ist wichtig, nicht viel weiter als diese Massenbegrenzung zu gehen. Kein Unternehmen führt mehr als ein paar Produkteinführungen pro Jahr durch. Wenn das Halteseil pro Masse eine ähnliche Größenordnung wie die Rakete kostet, dann ist das Massenverhältnis die Anzahl der Starts, die Sie benötigen, um die Kosten zu amortisieren. Wenn das Tether-Material 10 % der Kosten des gesamten Starthilfesystems ausmacht und Sie die Investoren innerhalb eines Jahres auszahlen müssen, dann entscheiden wir uns eindeutig für (Masse der Rakete) = (Masse des Tethers). Es macht nicht viel aus, wenn Sie hier Ihre finanzielle Risikobereitschaft ändern, weil die Massengleichung so wahnsinnig exponentiell ist.

Unnötig zu erwähnen, dass dies immer noch funktionieren könnte. Wenn eine Rakete ihr Delta-V-Budget um 3 km/s reduzierte, könnte sie ihre in den Orbit gelieferte Nutzlast praktisch verdoppeln oder verdreifachen. Sie würden versucht sein, dies für sinnvoll zu halten. Eigentlich macht es im Weltraum Sinn. Das Problem ist, dass wir immer noch auf der Erde sind.

Längenbegrenzung

Seltsamerweise sagt die obige Massenverhältnisgleichung nichts über die Tetherlänge aus . Es könnte lang oder kurz sein. Wenn die Kantengeschwindigkeit gleich ist, ändert sich die Gesamtmasse des Haltebands nicht. Wenn Sie schneller fahren, ist die Zentripetalbeschleunigung höher, sodass das Halteband dicker sein muss – und dies gleicht den Effekt eines kürzeren Haltebands perfekt aus.

Somit begrenzen g-Kräfte tatsächlich die Länge des Halteseils, und diese sind durch die Biologie eingeschränkt. Nehmen wir an, unser Limit liegt bei 3 g. Die Gleichung ist einfach$3g=\frac{v^2}{r}$. Wenn Sie 3 km/s einstecken, erhalten Sie einen Tether-Radius von 300 km. Oh mein. Das wird nicht funktionieren.

Die radikalste Version des Tether-Startunterstützungssystems besteht entweder aus Ballons oder Flugzeugen in großer Höhe. Diese sind aufgrund der Atmosphärendichte in der Höhe begrenzt, typischerweise auf etwa 10 km im Fall großer Jets. Wenn Sie die Begrenzung von 3 g und 10 km kombinieren, stellen Sie fest, dass das Starthilfesystem nur bis zu einer Geschwindigkeit von 0,5 km / s helfen kann. Mit diesem System können Sie also den Massenanteil der Rakete nur um etwa 20% verbessern, aber nur auf Kosten der Reduzierung der Startmasse durch die Anforderung, dass ein Jet oder Ballon sie überhaupt aufnehmen kann. Höchstwahrscheinlich tut es mehr weh als es hilft!

Wege um die Längenbegrenzung?

Ihre Idee war es , den Treibstoffbedarf der Rakete zu reduzieren . Sie können aus meinen Berechnungen ersehen, dass die Begrenzung nicht die Masse des Halteseils ist. Das Problem ist, dass der Längenbedarf so hoch ist, dass man es nirgendwo befestigen kann. Aber Ihre Idee, es anzuhängen, ist:

Stellen Sie sich dasselbe Gerät vor, das horizontal an einer Weltraumrakete befestigt ist.

Klingt so, als ob die Leine die Rakete mit einem Anker (ich nehme an, ein beweglicher Anker) auf dem Boden verbindet. Aber das Problem ist, dass die Rakete hier die Leine mit nach oben ziehen muss. Das erhöht die Menge an Treibstoff, die die Rakete benötigt, was bereits Ihr Ziel verletzt.

Aus diesem Grund beinhalten alle ernsthaften Vorschläge in dieser Familie den Start von gehärteten Nutzlasten, nicht von Menschen und nicht von konventionellen Raketen. Indem Sie die Beschleunigung erhöhen, können Sie die Struktur auf etwa einen Kilometer genau halten. Aber eine solche Megastruktur ist schwer zu verkaufen, wenn sie die Nutzlast von vornherein nur geringfügig erhöht.

Alternativ könnten Sie ein Schema ausprobieren, um es an etwas zu "anhängen", das nicht an irdische Einschränkungen gebunden ist. Zum Beispiel etwas, das sich bereits im Orbit befindet. Dies ist der Ansatz verschiedener Teilraumaufzüge. Diese können vernünftigerweise einen Radius von > 300 km haben, aber dann taucht die Massenbeschränkung wieder auf, da Sie sie zunächst in die Umlaufbahn bringen müssen.

Wie andere bereits gesagt haben, rücken das Ausmaß sowohl des Baus als auch der beteiligten Kräfte dieses Projekt fest in den Bereich des Unmöglichen. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Idee nicht in einer anderen Form betrachtet wurde.

Obwohl es sich nicht gerade um ein Katapult handelt, gab es eine etwas ähnliche Idee, bei der es sich im Grunde um einen Teilchenbeschleuniger für Raumfracht handelt, der dem Druck standhalten kann. Stellen Sie sich den Cern Large Hadron Collider vor, aber in einen Berg eingebaut mit einer Ausgangsöffnung, die auf einen stabilen Orbit-Eintrittspunkt gerichtet ist. Die Theorie besagt, dass Sie das Fahrzeug im Erdgeschoss auf Hochtouren bringen und es dann von dort aus in die Umlaufbahn bringen. Während die G-Kräfte für nichts Lebendes lebensfähig sind, könnte angemessen geschützte Ausrüstung, die sowohl den G-Kräften als auch den beteiligten Magnetkräften standhält, zu einem lächerlich niedrigen Preis in den Weltraum gebracht werden, verglichen mit herkömmlichen raketengestützten Startmethoden (auf dem um das 10.000-fache niedriger für den Start selbst).

Quellen:

• Wikipedia-Artikel zu Massentreibern: http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_driver
• Wikipedia-Artikel über Space Gun: http://en.wikipedia.org/wiki/Space_gun
• Artikel über New Scientist: http://www.newscientist.com/article/dn10180-huge-launch-ring-to-fling-satellites-into-orbit.html

Siehe auch die verschiedenen Quellen zu den Wikipedia-Artikeln.

Während die Antworten richtig sind, können wir es auf viel einfachere Weise betrachten: Nichts an einem Katapult verringert die Beschleunigung, die das geworfene Fahrzeug erfährt. Beobachten Sie einen Raketenstart – mehrere g für Hunderte von Kilometern, während sie in den Weltraum fliegt. Wenn Sie die Beschleunigung auf dem gleichen Wert halten möchten, benötigen Sie ebenso viel Platz - Ihr Katapult muss Hunderte von Kilometern lang sein.

In Betracht ziehen:

Wenn Raketen ihren Treibstoff verbrauchen, werden sie leichter, sodass der Schub, den sie erzeugen, auf eine zunehmend abnehmende Masse ausgeübt wird. Das Ergebnis ist eine zunehmende Beschleunigung und damit g-Kräfte am Fahrzeug.

Zwei Beispiele: Apollo Saturn und das Space Shuttle begrenzten beide ihre Beschleunigung, indem sie Triebwerke abschalteten oder drosselten, um etwa 3 g nicht zu überschreiten. Das kommt sowohl der Besatzung zugute als auch, weil die Strukturen nicht mehr vertragen. Der Grund ist das Gewicht.

Alles an einer Rakete muss so leicht wie möglich sein, um den Treibstoffverbrauch zu minimieren, der benötigt wird, um sie ins All zu bringen. Das begrenzt, wie stark die Dinge sein können. Raketenstrukturen werden nur so stark gemacht, wie sie sein müssen, daher sind sie so leicht wie möglich.

Wenn Sie das Ding nun von einer Startrampe katapultieren möchten, müssen Sie die Dinge stärker machen, um all diese zusätzlichen G-Kräfte aufzunehmen (nur für die Dauer des Katapults erforderlich), und daher wird alles schwerer und Sie müssen mehr Treibstoff mitnehmen um die Arbeit zu erledigen, sobald Sie das Ende des Katapulthubs hinter sich haben.

Wir verwenden keine Katapulte, weil wir die Nutzlast nicht zerstören wollen, bevor wir den Orbit erreichen. Die notwendige immense Beschleunigung würde jede aufgebaute Nutzlast wie bei einem Raketenstart zerstören. Wenn eine sehr robuste Nutzlast das Katapult überleben würde, würde sie durch die immense Hitzebelastung der Umlaufgeschwindigkeit in den dichten unteren Teilen der Atmosphäre zerstört.
Ein Wiedereintritt ist möglich, da die Umlaufgeschwindigkeit nur in den sehr dünnen oberen Teilen der Atmosphäre liegt.

Ich stimme Pavel zu und denke auch, dass dies wahrscheinlich ein Konzept ist, das man sich ansehen sollte: Das Katapult muss als vorbrennende Raketenphase konstruiert werden. Das heißt, wir könnten das Katapult benutzen, um eine Rakete zu starten, Capice? Wir können das Katapult also so konstruieren, dass es mit der maximalen Geschwindigkeit beschleunigt, die ein menschlicher Körper aushalten kann (sagen wir 5 g), so dass es eine beträchtliche Geschwindigkeit erreicht (sagen wir 600 km / h), weit unter der Grenze, die Dinge zum Brennen bringen würde in der untere Atmosphäre.

In diesem visionären Gedankenexperiment könnten wir eine Raketenzündung haben, bei der die Rakete eine Anfangsgeschwindigkeit von 600 km/h hat. Die Rakete würde weiter mit 5 g beschleunigen, nachdem die Katapultlinie vorbei ist; mit seinen Raketen (wie derzeit). Das Schöne ist, dass die brennende Rakete ihre Reise mit 600 km/h statt mit 0 km/h beginnen würde. Ich denke, die Hauptauswirkung würde auf der erforderlichen Menge an anfänglichem Kraftstoff liegen (könnte das bitte jemand abschätzen?). Sie können auf den gesamten Kraftstoff verzichten, der erforderlich ist, um bei einem Start ohne Katapult 600 km/h zu erreichen. Das ganze Schiff wäre leichter!

Wenn man bedenkt, dass unser Katapult bei einer Beschleunigung von = 5g = 5x10 m^2/s arbeitet. Von V_0 = Null auf V = 600 km/h zu fahren, erfordert 3,3 Sekunden. Runden wir es auf 3,5 s. Dann, als nächsten Schritt, denken wir vielleicht „Wer groß sollte die Katapultlinie sein, um diesen Raketenstart zu ermöglichen?“ Und die Antwort ist gar nicht so schlecht.

Beschleunigung bei a=5g , von X_0 = 0 und V_0 = 0

X = X_0 + V_0 . t + (a . t^2)/2 ; unter Verwendung von t = 3,5 s

X = 300 Meter

…

Nehmen wir an, wir bräuchten etwas Größeres, da die Rakete selbst 100 m hoch sein könnte … Wir sprechen von einem 500 m hohen Felskatapult, das in den Himmel ragt. Denken Sie nicht, dass das verrückt klingt, um es zu bauen. Ich weiß nicht, wie viel solch ein Katapult kosten würde. Aber wir müssen berücksichtigen, dass die Rakete viel leichter wäre, nur weil wir viel weniger Treibstoff brauchen, um die obere Atmosphäre zu erreichen.

Viele Berge könnten die Anforderungen für den Bau dieses Gedankenkatapults erfüllen … (jemand könnte mehr Berechnungen in Anbetracht des Starts vom Everest-Typ versuchen … achten Sie darauf, die Geschwindigkeiten niedriger zu halten als beim Brennen in niedriger Atmosphäre! )

Über einige Nachteile, die in früheren Kommentaren erwähnt wurden ...

Leute, eine Robe, die 5 g aushält und eine leichte Rakete katapultiert, ist kein Problem (oder?) ... Ich meine, auch wenn eine Robe, die "den Job macht", das größte Problem ist, das man sich vorstellen kann, denke ich, dass dies sein könnte Engineered to work ... zum Beispiel könnten wir nach aktuellen Roben-Spezifikationen für katapultierende Foo-Kämpfer suchen

Über das "Problem" eines Raketenmotorausfalls während des Katapultstarts ... Leute, komm schon ... Wenn ein Raketentriebwerk explodiert, wird es sowohl vom Boden als auch vom Katapultstart aus ein tragisches Problem sein. Wenn eine Rakete während des Katapultierens nicht brennt, stimme ich zu, dass es schwierig sein wird, die Rakete zu stoppen. Wahrscheinlich verlieren wir die Rakete. Aber wir haben bereits Technologie, um die Besatzung (oder jede wertvolle Nutzlast) auszuwerfen (siehe die Abort Pad-Tests von NASA oder SpaceX)
. Daher sollte "Raketenversagen" nicht als Hauptargument gegen das Katapultieren von Raketen erscheinen (meiner Ansicht nach). .

Auch über zusätzliche Strukturen, die benötigt werden, um dem Katapultieren standzuhalten ... Weißt du ... vielleicht müssten wir nicht zu weit gehen, um diese Art von Problem anzugehen. Heutige Trägerraketen vertragen bereits >5g Beschleunigung ... In diesem Punkt sind die aktuellen Raketen also in Ordnung. Lasst uns auch einen Moment nachdenken ... Wo würden wir die Robe anschließen? Nun, wir können die Kraft einfach auf die gleiche mechanische Struktur anwenden, die den derzeit brennenden Raketentriebwerkszug hält. Ich meine ... die derzeit brennenden Motoren bringen bereits Kraft genug für eine Beschleunigung von> 5 g auf. Also können wir die Robenkraft an der gleichen Stelle anwenden.

Jede zusätzliche Struktur, die dafür benötigt wird, kann sich am Katapult-Ende von der Rakete trennen; Dadurch muss keine große Zusatzlast aufgenommen werden.

Wir könnten ein spezielles Forum starten, nur um dieses Thema aus der Vogelperspektive zu betrachten, aus einer realistischeren Perspektive ... auf der Suche nach Materialien und Spezifikationen.

Mach's gut!

Hast du jemals Rocket City Rednecks gesehen? Diese Redneck-Raketenwissenschaftler (Vater und Sohn) aus Huntsville, Alabama (und ehemalige und aktuelle NASA-Mitarbeiter) kamen auf diese Idee und brachten sie in kleinem Maßstab zum Laufen, indem sie eine Stufe höher gingen, indem sie ein Katapult an einem Wetterballon befestigten. Sie starteten die Rakete von dem Katapult, das an dem Ballon in der Luft hing. Es funktionierte.