Ich beziehe mich auf Raketen, die Vorräte und Menschen zu anderen Planeten bringen können.

Für eine interplanetare einstufige Rakete mit zehn bis hundert Tonnen Nutzlast kann kein vorhandenes Antriebssystem diese Aufgabe auf praktische Weise erfüllen. Chemischen Raketen mangelt es an Treibstoffeffizienz; Elektroraketen haben nicht den nötigen Schub, um die Erdoberfläche zu verlassen. Sogar die bestehenden Entwürfe für nuklearthermische Motoren (sowohl die USA als auch die UdSSR entwickelten in den 1960er Jahren funktionierende Prototypen) haben weder die Effizienz noch den Schub.

Dazu bräuchten wir einen wesentlich leistungsstärkeren und effizienteren Raketenantrieb. Der „nukleare Glühbirnen“ -Motor ist der nächste Schritt in der Leistungsfähigkeit, aber er hat viele ungelöste technische Herausforderungen und hätte wahrscheinlich nicht das Schub-zu-Gewicht-Verhältnis, das erforderlich ist, um sich selbst, seinen Treibstoff und eine nützliche Nutzlast abzubauen Erde. Eine Art Fusionsrakete könnte es wahrscheinlich tun, aber wir wissen noch nicht einmal, wie man einen funktionierenden, dauerhaften Fusionsreaktor am Boden baut.

Raketen sind im Grunde Geräte, die Newtons Drittes Gesetz ausnutzen , denn jede Kraft hat eine gleiche und entgegengesetzte Kraft. Indem die Masse so schnell wie möglich nach hinten geschleudert wird, wird eine gleiche Kraft ausgeübt, die die Rakete, die Triebwerke, die Nutzlast und ihren gesamten eigenen Treibstoff anhebt .

Single-Stage-to-Orbit kann durchgeführt werden, aber es ist schrecklich ineffizient. Dies liegt an der Tyranny Of The Rocket-Gleichung , die im Grunde besagt, dass man mehr Treibstoff braucht, um mehr Masse in den Weltraum zu bringen, was mehr Masse bedeutet, was mehr Treibstoff bedeutet ...

Sie können den Anteil einer Rakete, der Treibstoff sein wird, mit der vereinfachten Gleichung berechnen$\text{fuel fraction} = 1 - e^{-\delta v/v^e}$wo$\delta v$ist die gewünschte Geschwindigkeitsänderung und$v^e$ist deine Abgasgeschwindigkeit. Je schneller Sie Masse (dh Treibstoff) aus der Rückseite Ihrer Rakete werfen, desto mehr Kraft überträgt sie und desto effizienter ist sie.

Wir können das ausarbeiten$\delta v$von der Erdoberfläche in eine niedrige Marsumlaufbahn mit dieser fantastischen Delta-V-Karte . Das sind etwa 15 km/s.

Die effizientesten konventionellen Chemiemotoren, die Wasserstoff-Sauerstoff verbrennen, haben eine Abgasgeschwindigkeit von etwa 4,5 km/s. Stecken Sie das ein und wir erhalten 96,4% der Masse muss Kraftstoff sein oder etwa 28:1. Eine leere Falcon 9 wiegt etwa 28.000 kg und eine leere Dragon-Kapsel etwa 4.200 kg. Um dieses 32.000 kg schwere Fahrzeug nur zum Mars zu bringen, ohne Menschen, ohne Vorräte, würden etwa 900.000 kg Treibstoff benötigt oder etwa das 2- bis 3-fache dessen, was eine Falcon 9 aufnehmen kann. Ein Falcon Heavy kann so viel Treibstoff aufnehmen, aber jetzt haben Sie dreimal so viele Raketen oder 88.000 kg. Mehr Masse bedeutet mehr Kraftstoff. 2,4 Millionen kg Treibstoff, etwa doppelt so viel wie die Falcon Heavy tragen kann.

Es gibt drei Möglichkeiten.

Packen Sie mehr Kraftstoff ein

SpaceX packt mehr Treibstoff ein, indem es seine Tanks bis zum Start so kalt und damit dicht wie möglich hält. Dies warf ein Sicherheitsproblem auf, Menschen werden normalerweise nach dem Betanken auf Raketen geladen, nur für den Fall, dass während des Betankungsvorgangs etwas schief geht. SpaceX möchte „laden und losfahren“, was bedeutet, dass sie die Menschen und die Fracht laden, dann tanken und so schnell wie möglich starten, bevor sich ihr Treibstoff erwärmt, ausdehnt und ausläuft. SpaceX hat die NASA-Zulassung erhalten , aber Treibstofftanks sind ungefähr so ​​​​dicht und groß, wie sie werden können. Dies wird Sie nicht in einer einzigen Stufe in den Weltraum bringen.

Erhöhen Sie Ihre Abgasgeschwindigkeit (dh Masseneffizienz)

Angenommen, Sie haben anstelle einer chemischen Rakete eine nuklearthermische Rakete mit einer Austrittsgeschwindigkeit von 9 km / s verwendet. Um unsere 15 km/s zu erreichen, brauchen wir plötzlich nur noch 81 % Kraftstoff oder etwa ein Verhältnis von 5:1. Wenn Sie jetzt unsere 32.000 kg leere Falcon 9 + Dragon zum Mars bringen, brauchen Sie nur 160.000 kg Treibstoff. Weitere 100.000 kg Kraftstoff bringen Ihnen 20.000 kg Nutzlast.

Natürlich gibt es das lästige Problem der radioaktiven Abgase (lösbar) und des Ausstoßens von radioaktivem Material, wenn die Rakete explodiert, was manchmal vorkommt.

Noch höher$\delta v$kann von Ionentriebwerken mit 20 bis 50 km/s erreicht werden. Nehmen Sie dies auf die Spitze und Sie haben das Photonentriebwerk , dessen Austrittsgeschwindigkeit Lichtgeschwindigkeit ist. Das Problem ist, dass diese einen so anämischen Schub erzeugen, dass sie keine nennenswerte Nutzlast gegen die Schwerkraft der Erde heben und durch ihre Atmosphäre schieben können.

Also bleiben wir vorerst bei 4,5 km/s, um in die Umlaufbahn zu gelangen. Sobald wir uns im Orbit befinden, können wir effizientere oder gefährlichere Triebwerke verwenden. Aber das ist Inszenierung, was uns dazu bringt, warum wir mehrstufige Raketen haben.

Masse abwerfen

Die Raketengleichung sagt uns, dass wir mit jedem Kilogramm, das wir verlieren, viele Kilogramm Nutzlast zurückgewinnen. Wenn wir es früh beim Start abwerfen, ist das weniger Masse, die wir brauchen, um weiter voranzukommen.

Inszenierung

Es stellt sich heraus, dass leere Kraftstofftanks viel wiegen. Ebenso die vielen Triebwerke, die benötigt werden, um die Erdatmosphäre zu durchdringen. Sobald Sie sich über der Atmosphäre befinden, über dem größten Teil des Luftwiderstands, benötigen Sie viel weniger Schub, um die Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen. Also entsorgen wir sie so schnell wie möglich. Dies ist die erste Stufe.

Um auf die Raketengleichung zurückzukommen, sagen wir, die erste Stufe muss nur 5 km/s erzeugen, dann wird sie verworfen. Bei 4,5 km/s ergibt das einen Bruchteil von 67 % oder 3:1, sehr gut! Dann wird die leere erste Stufe abgeworfen, etwa 8% der Startmasse. Damit bleiben uns 25 % der Masse. Diese zweite Stufe muss die restlichen 10 km/s liefern. Das bedeutet, dass die verbleibenden 25 % der ursprünglichen Masse 89 % Kraftstoff oder 22 % der ursprünglichen Masse sein müssen. 67 % + 22 % = 89 % oder etwa 10:1. Dies ist eine enorme Verbesserung gegenüber der Einzelstufe, die 28:1 war!

In Wirklichkeit wäre dies wahrscheinlich eine dreistufige Rakete, um noch mehr Effizienz zu erzielen. Und deshalb inszenieren wir Raketen.

Tragen Sie Ihren Kraftstoff nicht

Der Heilige Gral des Weltraumantriebs besteht darin, der Raketengleichung vollständig zu entkommen und Ihren Treibstoff überhaupt nicht mit sich führen zu müssen. Sonden des inneren Sonnensystems können Sonnenkollektoren verwenden, um ihre Ionenmotoren anzutreiben. Sie müssen immer noch Reaktionsmasse tragen, aber sie müssen keinen Treibstoff tragen, um sie anzutreiben. Stattdessen verwenden sie Sonnenlicht, um Strom zu erzeugen, um ihren Treibstoff mit extremen Geschwindigkeiten anzutreiben und ihre Reaktionsmasse so effizient wie möglich zu nutzen.

Diese ist derzeit im Einsatz. Zum Beispiel hat Dawn ungefähr 425 kg Xenon (ausgewählt, weil es nicht reaktiv und sehr dicht ist) als Reaktionsmasse, aber es verwendet Sonnenkollektoren, um es anzutreiben. Diese Solarmodule liefern etwa 1 kW an ihrem Ziel Ceres. Das gibt ihm ein unglaubliches$\delta v$von etwa 10 km/s, aber es dauert etwa 4 Tage, um von 0 auf 100 km/h zu kommen. Nicht gut zum Abheben von der Erde, aber großartig im Vakuum des Weltraums.

In ähnlicher Weise verwendet eine thermische Laserrakete ein Katapult, eine konventionelle Rakete oder ein Flugzeug, um sie hoch in die Atmosphäre zu heben. Dann heizen boden- und weltraumgestützte Laser die Rakete auf, wodurch ihr Treibstoff bei höheren Geschwindigkeiten verbraucht wird, als dies mit herkömmlichen Raketen erreichbar ist.

Das ist rein spekulativ.

Ich denke, der hybride luftatmende SABRE-Motor / Raketenmotor und Raumflugzeuge sind hier erwähnenswert.

Um ein Fahrzeug zu haben, das in der Lage ist, eine Umlaufbahn zu erreichen, sollte es offensichtlich sein, dass Sie einen Motor benötigen, der im Vakuum betrieben werden kann. Eines der Probleme mit Vakuummotoren ist, dass ihre Effizienz in einer dichten Atmosphäre viel geringer ist und sie daher (wie Schwern in einer anderen Antwort betont) Tonnen und Tonnen von Kraftstoff fressen müssen, um das erforderliche Delta-V (und wenn sie den erforderlichen Schub liefern können , um dem Schwerkraftwiderstand beim Start entgegenzuwirken).

Der klassische Ansatz für das Problem besteht darin, verschiedene Raketentriebwerke in verschiedenen Höhen zu verwenden (lesen Sie "unterschiedliche atmosphärische Drücke"). Nehmen Sie das Space-Shuttle-Programm: Die untere Stufe der Feststoffraketen-Booster bietet einen hohen Schub (12000 kN) und einen geringen Wirkungsgrad ($I_{SP}$von etwa 250s); Seine Hauptmotoren liefern einen niedrigen Schub (1800 kN) und einen höheren Wirkungsgrad ($I_{SP}$von etwa 450 s im Vakuum).

Raumflugzeuge verfolgen einen völlig anderen Ansatz: Die "untere Stufe" ist ein Flugzeug mit luftatmenden Triebwerken, ziemlich ähnlich wie moderne Verkehrsflugzeuge. Ein Flugzeug braucht keinen hohen Schub, um den Schwerkraftwiderstand zu überwinden, da es sich auf die Aerodynamik verlassen kann, um Auftrieb zu erzeugen. Und die Treibstoffeffizienz von Turbofans (die Art von luftatmenden Triebwerken, die Verkehrsflugzeuge verwenden) ist im Vergleich zu Raketen verrückt : ($I_{SP}$von etwa 3000s). Sie "betrügen" die Regel "Sie müssen Ihren eigenen Treibstoff tragen", indem sie den Sauerstoff in der Atmosphäre als Teil der Reaktionsmasse verwenden ( bearbeiten: und Luft als Treibmittel verwenden; siehe Kommentare ).

Die allgemeine Idee ist, luftatmende Motoren zu verwenden, um etwas Höhe und Geschwindigkeit zu gewinnen, und dann, wenn die Atmosphäre dünn genug ist, dass die Turbofans nicht mehr von Nutzen sind, die (Vakuum-) Raketentriebwerke zu aktivieren, um eine Umlaufbahn zu erreichen.

Sie erinnern sich vielleicht an das SpaceShipTwo von Virgin : Der Flugzeugteil fliegt bis zu 15 Kilometer weit, dann löst sich der Raketenteil, startet seine Triebwerke und fliegt bis zu 110 km weit weg von der Atmosphäre.

Aber Sie brauchen immer noch zwei verschiedene Motoren. Hier kommt der hybride luftatmende Motor/Raketenmotor SABRE ins Spiel. Anstelle eines Turbofans und eines Raketentriebwerks haben Sie ein Triebwerk, das sich wie beides verhalten kann . Anstatt die Turbofans auszuschalten und die Raketentriebwerke zu zünden, würde ein SABRE-Triebwerk einfach den Modus bei der richtigen Höhe/Geschwindigkeit wechseln.

Leider ist ein solcher Hybridmotor eine sehr komplexe Ingenieuraufgabe. Stand heute (2018) ist es nur ein Konzept ohne funktionierenden Prototyp. Zitat aus Wikipedia:

Im Jahr 2012 erwartete [der Hersteller] Testflüge bis 2020 und Betriebsflüge bis 2030.

Ich denke also, dass es möglich sein könnte, in zwei bis vier Jahrzehnten SSTO-Raumflugzeuge mit geringer Nutzlast oder nur für Passagiere (aber keine SSTO- Raketen ) zu sehen.

Wenn Sie nur an einem sicheren, wiederverwendbaren SSTO in eine erdnahe Umlaufbahn mit einem kleinen Nutzlastverhältnis interessiert sind, haben Sie (irgendwie) Glück. Das Acetalyn-Ozon-Kraftstoffgemisch würde sowohl den ISP als auch den Schub geben, um es mit ansonsten herkömmlicher Technologie durchzuziehen. Sie haben zwei Probleme zu lösen:

1) Finde heraus, wie man 100 % flüssiges Ozon stabilisiert.

2) Finde heraus, wie man einen Motor baut, der die Verbrennungswärme verträgt. Historisch wurde dies mit Flüssigsauerstoffkühlung durchgeführt. Sie können keine Flüssigozonkühlung verwenden.