Ein Grund, warum große Raketen direkt nach oben abgefeuert werden, ist struktureller Natur. Zylinder sind stark unter Druck, das Stapeln von Zylindern übereinander bedeutet, dass das Gewicht symmetrisch ist, Sie benötigen weniger strukturelles Gewicht, um alles zu halten. Starten Sie es gerade nach oben und nehmen Sie sanfte Richtungsänderungen vor, und die Kräfte werden gleichmäßig über die gesamte Struktur verteilt. Drehen Sie alles auf die Seite und plötzlich brauchen Sie eine ganze Menge mehr Struktur, um das Gewicht zu tragen, fügen Sie Flügel hinzu und Sie brauchen noch mehr Struktur, um die aerodynamische Last zu verteilen.

Ein weiterer Grund ist, dass der Luftwiderstand der Feind ist. Bei einem seitlichen Start müsste die Rakete länger den Luftwiderstand überwinden. Auf einem luftleeren Planeten könnte ein seitlicher Start sinnvoller sein, da bei einer Atmosphäre der effizienteste Weg in die Umlaufbahn bedeutet, hoch genug zu kommen, um einen Großteil der Atmosphäre zu passieren, bevor er umkippt und auf Umlaufgeschwindigkeit beschleunigt.

Es ist eine Frage der optimalen Flugbahn - Nickmanöver / Schwerkraftdrehung , die von den Eigenschaften der Rakete, der Atmosphäre, der Schwerkraft usw. abhängt. Insbesondere bei Raketen mit einem niedrigeren anfänglichen Schub-Gewichts-Verhältnis beginnt die Flugbahn fast vertikal; Das "Abrunden" des Winkels auf eine perfekte Vertikale erleichtert die Launchpad-Infrastruktur und den Vorbereitungsprozess. Die "Ineffizienz" ist so winzig, dass jede Einsparung hier vollständig von den Kosten der Komplikation der Infrastruktur für den diagonalen Start verschluckt würde.

Und was ist mit Raketen mit sehr hohem Anfangs-TWR? Nun, diese existierenden, wie SS-520-4, starten diagonal oder in anderen "interessanten" Konfigurationen. Aber sie sind aus einfachen wirtschaftlichen Gründen außergewöhnlich selten. „Treibstoff ist billig, Motoren sind teuer“, lautet ein altes Sprichwort der Raketenindustrie. Es ist kostengünstiger, mehr Treibstoff hinzuzufügen und die Anfangsmasse zu erhöhen, als zu versuchen, die Schwerkraftverluste zu reduzieren, indem die Zeit bis zum Orbit verkürzt wird, indem mehr und stärkere Triebwerke verwendet werden. Daher haben fast alle gängigen Trägersysteme einen niedrigen anfänglichen TWR - und als Ergebnis eine vertikale Startposition.

Was Flügel betrifft - Flügel machen vielleicht bis Mach 2-3 einen guten Sinn, danach fügen sie nur Gewicht und Luftwiderstand hinzu. Und die Rakete muss Mach 21 erreichen. Welche frühen Einsparungen Sie auch durch einen frühen Flug mit Flügeln erzielen würden, sie werden sich bald in massive Verluste verwandeln.

Die Atmosphäre verdünnt sich exponentiell, wenn Sie nach oben gehen. Das bedeutet, dass der bodennahe Teil der Atmosphäre wesentlich dichter ist als der höher gelegene. Mit anderen Worten, der Luftwiderstand ist viel höher, wenn Sie sich in Bodennähe befinden.

Um die Menge an Treibstoff zu minimieren, die durch den Kampf gegen den Luftwiderstand verloren geht, müssen Sie die Zeit, die Sie im dicksten Teil der Atmosphäre verbringen, minimieren. Jeder anfängliche Neigungswinkel$\theta$verlängert die Zeit, die Sie in der unteren Atmosphäre verbringen, um ungefähr einen Faktor von$\frac{1}{\cos\theta}$, nur aus geometrischen Erwägungen. Wie zu erwarten ist, ist die schnellste Richtung, um die untere Atmosphäre zu verlassen, direkt nach oben.

Beachten Sie neben den guten Antworten, die Sie bereits erhalten haben, dass die vertikale Beschleunigung mehr als 1 g betragen muss, damit eine Rakete diagonal startet . In einem Saturn V lag die Anfangsbeschleunigung kaum über 1 g. Wenn Sie Ihre Rakete in einem Winkel von 45 Grad aufstellen, benötigen Sie jetzt 1,41 g, um nicht zu Boden zu fallen.

Es gibt auch große technische Probleme. Wenn Sie eine große Rakete vertikal aufstellen, muss sie ihr eigenes Gewicht tragen, und Sie lassen sie los, sobald sie zu steigen beginnt. Wenn Ihre Rakete schräg steht, müssen Sie das Gewicht der Rakete seitlich stützen (vergleichen Sie die Stärke der Seite einer Bierdose mit der von oben nach unten, und denken Sie daran, dass eine Rakete im Grunde ein Stapel von Panzern ist Treibstoff, jeweils mit Motoren unten), außerdem müsste die Rakete von ihren Stützen rutschen, bis sie genug Geschwindigkeit hat. Und zur Erinnerung: So etwas wie der Saturn V wiegt beim Abheben dreitausend Tonnen .

Kraftstoffwirtschaft

Wenn Sie Ressourcen sagen, gehe ich davon aus, dass Sie sich hauptsächlich auf die Treibstoffkosten konzentrieren, wo Sie vermutlich Geld sparen würden, indem Sie einen horizontalen flugzeugähnlichen Start nutzen. Es stellt sich heraus, dass Flugzeuge und Raketen sehr unterschiedliche wirtschaftliche Betriebskosten haben. Lassen Sie uns einige Zahlen darauf setzen. Der Einfachheit halber betrachten wir die SpaceX Falcon 9 und die Boeing 777 (insbesondere eine 777-200, die für Strecken wie NYC-London verwendet wird).

Eine 777-200 kostet rund 300 Millionen Dollar und hat eine Lebensdauer von rund 40.000 Zyklen. Als grobe Schätzung bedeutet dies, dass die fortgeführten Kosten eines Fluges von NY nach London in der Größenordnung von 7.500 $ liegen würden. Die Treibstoffkosten für denselben Flug betragen rund 30.000 US-Dollar . Nach schnellem Googeln scheinen die stündlichen Gesamtkosten ungefähr 30.000 USD / Flugstunde zu betragen, sodass die gesamten Flugkosten über 100.000 USD liegen würden . Unabhängig davon ist leicht zu erkennen, dass die Kosten für das Flugzeug selbst nur einen kleinen Teil der Gesamtkosten eines Fluges ausmachen.

Der Bau einer Falcon 9 hingegen kostet vielleicht etwa 60 Millionen US-Dollar (genaue Zahlen sind nicht verfügbar, aber die meisten Schätzungen gehen von diesem Bereich aus). Im Moment liegt der Wiederverwendbarkeitsrekord bei 5 Mal, aber seien wir etwas großzügig und sagen, dass es möglich ist, 10 Mal ohne Renovierung wiederverwendet zu werden. Das gibt uns Kosten pro Flug von 6.000.000 $ . Laut SpaceX belaufen sich die Treibstoffkosten eines Fluges auf $200.000. Wir können schnell erkennen, dass die Fahrzeugkosten ein sehr erheblicher Kostenfaktor für einen einzelnen Flug sind. SpaceX beziffert die Kosten auf 0,4 %, sodass unsere Schätzung von 0,033 im Stadion zu liegen scheint. Selbst wenn wir äußerst großzügig waren und davon ausgingen, dass es 100 Mal fliegen kann, bedeutet dies immer noch, dass die Fahrzeugkosten pro Flug deutlich höher sind als die Treibstoffkosten pro Flug, eine komplette Umkehrung der Arbeitsweise von Fluggesellschaften.

Abschluss

Was würden Sie also mit einem horizontalen Start im Flugzeugstil erreichen? Vielleicht können Sie diese Treibstoffrechnung etwas reduzieren, seien Sie noch einmal großzügig und sagen Sie, Sie würden 100.000 US-Dollar pro Flug sparen. Was würdest du verlieren? Wie die anderen Antworten und Kommentare zeigen: ziemlich viel. Sie hätten eine massive Zunahme der technischen Herausforderungen, die Sie bewältigen müssen (was mehr Entwicklungskosten bedeutet), aber was noch wichtiger ist, Sie führen so viel mehr Orte ein, an denen Dinge schief gehen können. Es muss nicht nur weiterhin wie eine Rakete für die obere Atmosphäre funktionieren, sondern es muss auch wie ein Flugzeug in der unteren Atmosphäre funktionieren. Es müsste auch fehlerfrei zwischen diesen Flugprofilen wechseln.

TLDR: Es funktioniert nicht, weil man bestenfalls ein wenig Kraftstoffkosten spart, aber massive technische Komplexität und Zuverlässigkeitsprobleme hinzufügt.

Hinweis: Die verwendeten Zahlen sind grobe Schätzungen aus einer schnellen Suche, aber ich glaube, sie veranschaulichen die Wirtschaftlichkeit des Problems. Einige Quellen sind:

Wie sieht die Kostenaufschlüsselung für einen Start von Falcon 9 aus? https://aviation.stackexchange.com/questions/654/whats-the-typical-cost-and-its-breakdown-for-a-long-haul-commercial-flight https://en.wikipedia.org/wiki /Boeing_777 https://aviation.stackexchange.com/questions/2263/what-is-the-lifespan-of-commercial-airframes-in-general https://www.spacex.com/reusability-key-making-human -life-multi-planetary https://thepointsguy.com/guide/cost-of-fueling-an-airliner/