Was würde einen Raketenschlittenstart durchführbar machen?

Wikipedia stellt die Idee eines Raketenschlittenstarts (auch Katapultstart, Rampenstart usw.) wie folgt vor:

Bei diesem Konzept wird die Trägerrakete von einer nach Osten weisenden Schiene oder Magnetschwebebahn getragen, die die Seite eines Berges hinaufführt, während eine von außen aufgebrachte Kraft verwendet wird, um die Trägerrakete auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Verwendung einer von außen aufgebrachten Kraft für die Anfangsbeschleunigung reduziert den Treibstoff, den die Trägerrakete tragen muss, um die Umlaufbahn zu erreichen. Dadurch kann die Trägerrakete eine größere Nutzlast tragen und die Kosten für den Weg in den Orbit reduzieren. Wenn die Geschwindigkeit, die der Trägerrakete durch den Bodenbeschleuniger hinzugefügt wird, groß genug wird, wird ein einstufiger Flug in die Umlaufbahn mit einer wiederverwendbaren Trägerrakete möglich.

Die Idee wurde schon mehrmals in der Fiktion verwendet, aber soweit ich weiß, diskutiert niemand darüber, eine zu bauen. In diesen Tagen von SpaceX und Konkurrenten würde ich erwarten, dass jemand darüber sprechen würde, wenn es machbar wäre, also gehe ich davon aus, dass dies derzeit nicht der Fall ist.

Selbst wenn ein direkter Start vom Schlitten in die Umlaufbahn nicht möglich ist, würde ich denken, dass dies ein effizienter Weg wäre, um eine normale Rakete mit erheblicher Geschwindigkeit in die obere Atmosphäre zu bringen, anstatt von einem stehenden Start am Boden aus zu starten. Die Rakete wäre dann in der Lage, die Nutzlast den Rest des Weges in die Umlaufbahn mit weitaus weniger Treibstoff zu schieben, als eine herkömmliche Rakete benötigen würde.

Welche Hürden müsste ein solches System überwinden, um in Betracht gezogen zu werden? Ist es eine Frage des Standorts? Werkstofftechnik? Einfach finanziell? Gab es überhaupt Machbarkeitsstudien?

Atmosphäre. Atmen Sie einfach ein und Sie werden wissen, was das Problem ist. Sie müssen Muskeln einsetzen, um nur etwa einen Liter Luft zu ersetzen. Die Umlaufgeschwindigkeit beträgt etwa 8 km/s. Wie viel "Mach" sind das? 25? Wie schnell, schlagen Sie vor, würde etwas von null auf 25 Mach gehen? Sie könnten sagen "Wasser! Jeder braucht Wasser, unempfindliche Startnutzlast" . Aber selbst Wasser würde bei 25 Mach brennen. Es ist, als würde man eine Waffe (oder einen Zug) in einen Berg schießen. Herkömmliche Raketen vermeiden dieses Problem gnädig, indem sie langsam durch die dichten Teile der Atmosphäre aufsteigen. Obwohl der Schlitten auf dem luftleeren Mond eine großartige Idee sein könnte!
Sie würden auch eine obere Stufe benötigen, um Ihre Umlaufbahn zu kreisförmigisieren.
@LocalFluff & Erik - Sie haben beide Recht - ich habe einen Teil meiner Frage ausgelassen. Ich hatte nie vor, einen direkten Schlitten in die Umlaufbahn vorzuschlagen - ich benutze nur den Schlitten, um die Rakete näher an die Umlaufbahn zu bringen, anstatt vom Boden.
Ich denke, luftatmende Strahltriebwerke können bereits "näher an die Umlaufbahn herankommen". Trotzdem nur etwa 1 km/s in 20 km Höhe. Weit entfernt von den 8 km / s, die für die niedrigste Umlaufbahn von etwa 300 km Höhe erforderlich sind. Beschleunigung am Boden sieht nicht attraktiv aus. Es sei denn auf einer luftleeren Welt wie dem Mond oder einem Asteroiden. Aber der Aufwand, dort schwere Schienen zu bauen, macht uns das Leben schwer. Und bis dahin wird sich etwas Besseres einfallen lassen.
Solche Konzepte wurden ständig in verschiedenen Formen und Formen vorgeschlagen, einige wurden sogar von NASA et al. ernsthaft in Betracht gezogen. Von der Argus-Trägerrakete mit Maglifter-Starthilfe bis hin zu neueren bodengestützten Launch-Assist-Konzepten , die ihren Weg in die integrierte Technologie-Roadmap der NASA gefunden haben. Und ich glaube, einiges davon wurde während der vergangenen NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Symposien diskutiert. Müsste prüfen.
@LocalFluff: Auf der anderen Seite ist die Energie, die benötigt wird, um Ihr Fahrzeug auf die Ausgangsgeschwindigkeit des Katapults zu beschleunigen, effektiv masselos, sodass Sie möglicherweise ein gutes Stück WRT der Raketengleichung sparen könnten. Wie viel, sagen wir, die Masse eines Saturn V wurde verwendet, um das Ganze auf etwa 500 Meilen pro Stunde zu bringen?
Ein Raketenschlitten hat die meisten der gleichen Probleme wie eine Weltraumkanone, siehe space.stackexchange.com/questions/2370/…
@ Hobbes - Interessant. Da sehe ich die Ähnlichkeiten. Definitiv nicht dasselbe, aber ähnlich.
Es braucht einen luftlosen Körper, und wir werden in mehreren Jahrzehnten keine so großen Konstruktionen im Weltraum bauen. Bis dahin hätte ein besseres Startkonzept (wie wiederverwendbare 1. Stufe) entwickelt werden können, also könnte es sehr gut nie passieren. Aber vielleicht lässt sich das Atmosphärenproblem so lösen, wie es heute mit superkavitierenden Torpedos getestet wird, um unter Wasser Überschallgeschwindigkeit zu erreichen?
Übrigens, das geplante einstufige Skylon-Orbit-Space-Shuttle würde nicht schneller als Mach 5 in der Atmosphäre fliegen, wahrscheinlich aus guten Gründen. Die Luft, die in ihren luftatmenden Motor eintritt, wäre 1.000 Grad heiß, und die Technologie der Kühlung in 1/100 Sekunde war kürzlich nach 30 Jahren ein entscheidender Durchbruch. Wenn Sie sie bitten, das für eine um ein Vielfaches höhere Geschwindigkeit zu wiederholen, glaube ich nicht, dass sie davon begeistert sein werden.
@LocalFluff - Ich habe das gleiche Problem mit Ihrem Kommentar wie mit Lorens Antwort. Vielleicht übersehe ich nur etwas, das Sie alle für offensichtlich halten, aber Raketen lösen heute jedes einzelne Problem, das Sie angesprochen haben. Wie funktioniert das Ersetzen der ersten Stufe einer mehrstufigen Rakete durch eine Rampe, die eine entsprechende Höhe erreicht, und das Ersetzen der Notwendigkeit, eigenen Treibstoff mitzuführen, durch die Notwendigkeit, genügend externe Energie bereitzustellen (die immer noch raketenbasiert sein könnte, nur an der Schlitten) so viel mehr Schwierigkeiten mit der Physik verursachen?
Nein, herkömmliche Trägerraketen haben dieses Problem nicht. Je dichter die Atmosphäre, desto langsamer bewegt sie sich. Saturn V bewegte sich mit etwa 500 m / s (glaube ich), als der "dynamische Druck" maximal war, und er steigt mit der Geschwindigkeit im Quadrat. Ein Schlitten muss mit einer Orbitalgeschwindigkeit von 8.000 m/s starten, was im Quadrat einen 256-mal höheren Druck ergibt, plus alles, was zum Ausgleich des Luftwiderstands benötigt wird, plus den Effekt, die hohe Luftdichte in geringer Höhe zu durchqueren. Eine Schlittennutzlast muss sich Gedanken darüber machen, wie sie nicht schmilzt und die Schiene nicht mit der Druckwelle des explosiven ersten Kontakts mit Luft zerstört.
Die Nutzlast muss in der ersten Sekunde etwa 10 Tonnen Luft bewegen, auf Mach 10+ beschleunigen.
@LocalFluff - Warum 8000? Ich spreche nicht von einer antriebslosen Schleuder in die Umlaufbahn, genauso wenig wie aktuelle Raketen in einer einzigen Stufe in die Umlaufbahn gelangen. Sie schlitten auf den Gipfel des Berges und fahren dann mit eigenständiger Raketenkraft weiter.
Man möchte sich immer noch langsam durch die untere Atmosphäre bewegen. Die Kosten der Schiene und ihre Inflexibilität in Bezug auf die zulässigen Umlaufbahnen sind für die praktisch zulässigen niedrigen Geschwindigkeiten schwer zu rechtfertigen (vielleicht 25 % der Umlaufgeschwindigkeit von 8.000 km/s, die schließlich erreicht werden muss. Wenn SpaceX auf 1.000 Dollar herunterkommt pro Kilogramm, das durch die Wiederverwendung der ersten Stufe der F9R gestartet wird, wird es wirklich schwer, mitzuhalten. Starten aus einem Flugzeug oder Ballon klingt nach einer besseren Idee, aber das hat auch große Probleme. Btw, der Raketenschlittentest der LDSD , nur bis Mach 2 .
@LocalFluff - Das sind die ersten tatsächlichen Argumente dagegen, die ich gesehen habe, und die Inflexibilität der Umlaufbahn ist wirklich gut. Wenn Sie sie zu einer vollständigen Antwort erweitern möchten, indem Sie sie mit den Kosten und der Flexibilität der ersten Stufe eines Raketenstarts vergleichen, akzeptiere ich das.

Antworten (3)

Das Haupthindernis für einen kostengünstigen Raketenschlittenstart ist die Atmosphäre. Dies ist aus mehreren Gründen ein großes Hindernis für einen kostengünstigen Raketenschlittenstart:

  1. Der atmosphärische Widerstand in terrestrischen Höhen verringert die Effektivität des Geschwindigkeitsaufbaus auf einer terrestrischen Strecke.
  2. Die Beanspruchung, eine Rakete mit höheren Geschwindigkeiten durch die Atmosphäre zu bewegen, erfordert stärkere Raketenstrukturen, die zwangsläufig schwerer sind.
  3. Das Erreichen von Höhen über Berggipfeln ist eine enorme technische und materialwissenschaftliche Herausforderung

Ein Beispiel ist, wenn Sie eine Strecke auf den Mt. Denali gebaut haben, könnten Sie es leicht auf 700 m / s bei nur 3 g bringen, wenn Sie horizontal beginnen, bevor Sie vom Fuß des Berges aufsteigen. Das Problem ist, dass dieser Berg nur 6,2 km hoch ist. Selbst wenn Sie auf dem Gipfel des Mount Everest 700 m/s erreichen würden, wären Sie nur bei 8,84 km (29.000 Fuß). Zum Vergleich mit einem Shuttle-Start bewegt sich das Shuttle bei 8,84 km mit etwa 230 m/s (~750 ft/s), also wären 700 m/s etwa dreimal so schnell und hätten einen 4,5-mal höheren Luftwiderstand viel (denn warum finden Sie in dieser Antwort ein sehr hilfreiches Diagramm, das verschiedene atmosphärische Variablen bei einem Space-Shuttle-Start zeigt: Welche Hindernisse gibt es bei der Erstellung eines wiederverwendbaren Raketenschlitten-Lanchpads?). Dieser zusätzliche Widerstand würde einen Großteil der über den Schlitten gewonnenen Geschwindigkeit wegsaugen und eine schwerere Rakete erfordern, die so strukturiert ist, dass sie dieser Geschwindigkeit in dieser Höhe standhält. Ich weiß nicht, wie ich die zusätzlichen Treibstoffkosten und die Kosten für den Raketenbau einer schwereren Rakete schätzen soll, also muss ich diesen Gedanken hier beenden.

In ähnlicher Weise weiß ich nicht, wie ich die Machbarkeit des Baus der Struktur abschätzen soll, um größere Höhen zu erreichen, in denen die Atmosphäre ein geringeres Problem darstellen würde, um viel höher als die Berge der Erde zu werden.

Aber nehmen wir an, Sie wollten keine stärkere, schwerere Rakete und wollten nur die Geschwindigkeit erreichen, die das Shuttle normalerweise in Berghöhe erreicht. Mir wurde gesagt, dass die Kraftstoffmenge, die benötigt wird, um die Umlaufbahnhöhe zu erreichen, nur ein kleiner Bruchteil der Kraftstoffmenge ist, die benötigt wird, um die Umlaufgeschwindigkeit (8 km / s) zu erreichen, was bedeuten würde, dass Sie nicht sparen können viel Treibstoff von einem Raketenschlitten in Berghöhe. Es würde sicherlich einiges sparen, aber möglicherweise nicht viel.

Und es könnte im Moment einfachere Wege geben, um Kosten zu sparen. Durch die Entwicklung vollständig wiederverwendbarer Fahrzeuge könnte bei Starts möglicherweise mehr Geld eingespart werden als durch die minimalen Treibstoff- und Strukturreduzierungen, die ein Raketenschlittenstart bewirken könnte. Außerdem wäre ein funktionierendes Scramjet-Triebwerk in der Lage, Flugzeuge zu verwenden, um Raketen über die Atmosphäre hinaus und auf Umlaufgeschwindigkeit zu bringen, was fast den gesamten Raketentreibstoff ersetzen würde, der benötigt wird, um zu LEO zu gelangen, durch viel billigeren Flugzeugtreibstoff.

Zusammenfassend sind also die Hindernisse für wirtschaftlich realisierbare Raketenschlitten Probleme, die bei der Konstruktion von Raketenschlittenstarts und vielversprechenderen Alternativen noch überwunden werden müssen.

Da die Atmosphäre die Hauptbarriere ist, ist ein Raketenschlitten auf Körpern wie dem Mond ohne Atmosphäre eine viel attraktivere Option.

Dies ist die einzige Antwort, die die eigentliche Frage nach einem schrägen Bergstart tatsächlich beantwortet. Es könnte mit einigen tatsächlichen Zahlen verbessert werden, aber es ist gut genug, dass ich es (verspätet) akzeptieren werde.

Hier gibt es zwei Einschränkungen, die beide schwerwiegend sind:

1) Wie LocalFluff sagt, Atmosphäre. Jede Geschwindigkeitskomponente von jeder Art von Startbahn wird im Grunde horizontal sein. Wenn Sie sich im Vakuum befinden und die Startgeschwindigkeit ein guter Teil der Umlaufgeschwindigkeit ist, wäre dies eine gute Sache.

In der Atmosphäre gibt es jedoch drei Fälle:

1a) Eine ziemlich niedrige Startgeschwindigkeit, sagen wir Mach 1. Der Startimpuls wird im Grunde genommen im Luftwiderstand verzehrt. Sie haben nichts gewonnen, aber viel Energie verloren, während sich Ihre Rakete von der Horizontalen in die Vertikale drehte. (Etwas, das Raketen nicht gut machen.)

1b) Eine mittlere Startgeschwindigkeit, sagen wir Mach 10. Die Dinge werden noch schlimmer – Sie müssen Ihre Rakete aufrüsten, um damit fertig zu werden, und Sie werden immer noch den größten Teil der Geschwindigkeit bluten, um zu ziehen.

1c) Eine sehr hohe Startgeschwindigkeit, z. B. Mach 40 (Ja, mir ist klar, dass dies über der Umlaufgeschwindigkeit liegt. Sie müssen weit über der Umlaufgeschwindigkeit liegen, um die Luftwiderstandsverluste auszugleichen.) Dies könnte tatsächlich von Nutzen sein. Es ist nur für Nutzlasten, die viel Gs tolerieren können, sowohl wegen des Werfers als auch wegen der brutalen Verzögerung, die beim Auftreffen auf die Atmosphäre auftritt. Sie benötigen dazu auch eine kräftige Startkapsel, aber Sie können nur für die Kosten einer Zirkularisierungsverbrennung in die Umlaufbahn gelangen. Wenn Sie genug solcher Fracht haben, könnte es Sinn machen.

2) Sie haben ein großes Problem mit der Stärke einer Rakete. Raketen sind normalerweise wie Eierschalen gebaut – stark gegen die beabsichtigte Ladung, sehr schwach gegen Kräfte, denen sie nicht begegnen werden. Sie müssen Ihre Rakete erheblich aufrüsten, damit sie überleben kann, wenn sie dort auf der Startrampe sitzt, bevor jemand den Knopf drückt.

Das Aufrüsten einer Rakete ist eigentlich keine so teure Konstruktion, aber es ist zusätzliches Gewicht - und die Raketengleichung ist in der Tat brutal. Jedes zusätzliche Pfund, das Ihren Booster zusammenhält, ist ein Pfund, das von Ihrer Nutzlast abfällt. Auf diese Kosten wollen Sie nur dann gehen, wenn ein erheblicher Nutzen zu erzielen ist.

Ich bin mir nicht sicher, wie anwendbar diese Antwort ist - sie basiert auf einem horizontalen Start, und was ich (und das Zitat) mir vorstelle, ist ein abgewinkelter Start an der Seite eines Berges. Abhängig vom Berg und der Konstruktion der Rampe sollte dies in der Lage sein, Ihnen eine signifikante vertikale Komponente zu verleihen. Außerdem müssen Sie das zusätzliche Gewicht gegen den Kraftstoff ausgleichen, den Sie nicht tragen müssen ... aber Sie können das Gewicht nicht über Bord werfen. Ich weiß nicht, wie sich das ausgleicht.
@Bobson Wenn Sie eine erhebliche vertikale Komponente erhalten, wenn Sie die Seite eines Berges hinaufsteigen, sprechen Sie von Beschleunigungen, die weit über das hinausgehen, was ein Mensch überleben kann. An diesem Punkt können Sie genauso gut mit meinem Fall 1c fortfahren.
Vielleicht übersehe ich etwas, aber ich kann dir immer noch nicht folgen. Warum sollte die Beschleunigung deutlich höher sein als bei einer herkömmlichen Rakete? Nur um die Tatsache auszugleichen, dass es nicht ganz vertikal ist? Mehr davon findet tiefer in der Atmosphäre statt?
@Loren Pechtel: Ich sehe das Beschleunigungsproblem nicht. Wenn ich meine Physik nicht vergessen habe, sollte eine Beschleunigung von 5 g Sie in 1,25 km von 0 auf Schallgeschwindigkeit bringen. Es gibt viele Berge, die viel längere Abfahrten bieten.
@jamesqf Und es wird dir überhaupt nicht viel nützen, Schallgeschwindigkeit zu erreichen.
@Loren Pechtel: Warum wird es nicht viel nützen, die Schallgeschwindigkeit (oder ein Vielfaches davon) zu erreichen, ohne Kraftstoff zu verbrauchen oder Tanklager für diesen Kraftstoff bauen zu müssen? Es eliminiert ein gutes Stück Ihrer ersten Phase. Siehe zum Beispiel den Wikipedia-Artikel über den Start von Saturn V en.wikipedia.org/wiki/Saturn_V#Lunar_mission_launch_sequence und beachten Sie, wie viel Treibstoff verbrannt wird, um ihn auf Schallgeschwindigkeit in einer Höhe zu bringen, die mit dem Auswurf eines Katapults vergleichbar ist - 60 Sekunden von insgesamt 168 Sekunden Verbrennung in der 1. Stufe .
@jamesqf Die horizontale Komponente ist erheblich schlechter als nutzlos und Sie müssen Ihre Rakete aufpeppen, damit sie dabei nicht auseinanderfällt.
@Loren Pechtel: Warum "schlimmer als nutzlos"? Schließlich neigt sich jeder herkömmliche Raketenstart kurz nach dem Start in Richtung der Horizontalen. (Bei Saturn V beginnen Sie kurz nachdem es den Turm passiert hat.) Wenn Ihre erste Stufe geflügelt ist (was Sie für den Flyback wünschen), können Sie die horizontale Komponente nach Bedarf nach oben umlenken. Und wenn es ein Scramjet ist, möchten Sie sowieso eine Weile in der Atmosphäre bleiben.
@jamesqf Wenn Sie den Schlitten in einem Winkel von 45 Grad verlassen, bedeutet dies, dass Ihre Rakete jetzt in einem Winkel von 45 Grad feuert, bis Sie sich selbst aufrichten können. Das ist verschwendete Kraft.
Warum sollte Ihr Schlitten bei irgendetwas anderem als 100 % vertikal starten? Es gibt keinen Grund, warum Sie das nicht tun könnten, und es klingt wie kein Grund, warum Sie es nicht tun würden. Daher ist diese Antwort völlig wertlos.
@BT Und von welcher Art von Beschleunigung sprichst du bei einem vertikalen Start? Nichts, was ein Mensch überleben könnte!
Ich verstehe dich ehrlich gesagt nicht. Warum würde ein vertikaler Start eine unüberwindbare Beschleunigung erfordern?
@BT Weil die Länge einer vertikalen Spur begrenzt ist. Wenn Sie viel Geschwindigkeit aus dieser Strecke herausholen möchten, müssen Sie eine enorme Beschleunigung verwenden.
Aber sicherlich könnten Sie einen Großteil Ihrer Geschwindigkeit horizontal erreichen und dann einen Berg hinauffahren, um sowohl Geschwindigkeit als auch Höhe zu erhalten.
@BT Und deine Passagiere sterben, wenn du abbiegst.

Ein Sonderfall eines Startschlittens wäre es, ihn die Seite eines Berges hinaufzuneigen. An diesem Punkt wäre das untere Ende in der Atmosphäre, das obere Ende aufgrund der Höhe dünner.

Sie möchten es wahrscheinlich einschließen und die Röhre evakuieren, damit Sie durch ein Vakuum oder in die Nähe davon beschleunigen können.

Da Sie jetzt eine Röhre haben, möchten Sie vielleicht magnetische Induktion verwenden, um sie anzutreiben. Aber wenn nicht, möchten Sie vielleicht etwas dahinter zünden, und Sie haben eine Startkanone.

Was würde einen Raketenschlittenstart durchführbar machen?
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