Welche Hindernisse gibt es bei der Herstellung eines wiederverwendbaren Lanchpads für Raketenschlitten? [Duplikat]

Kurz gesagt, dynamischer Druck . Es gibt auch andere schwerwiegende Einschränkungen, aber diese ist am schwierigsten zu überwinden. Sagen wir, in 10 km Höhe beträgt der atmosphärische Druck immer noch etwas mehr als ein Viertel des atmosphärischen Drucks auf mittlerer Meereshöhe. Eine herkömmliche Trägerrakete wird in dieser Höhe nur eine Geschwindigkeit von etwa 850 km/h erreicht haben und Unterschall bleiben. Während es allmählich an Geschwindigkeit zunimmt und aus der dichteren Atmosphäre heraussteigt, wird es in einer Höhe von etwa 40 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von 900 m/s (3.240 km/h) Max-Q (maximaler dynamischer Druck) erreichen. Hier ist ein Beispiel von Douglas T. Jackson für einen Space-Shuttle-Start:

   ^{Variation der Luftdichte (ρ), Geschwindigkeit (V), Höhe (h) und des dynamischen Drucks (q) während eines Space-Shuttle-Starts. Quelle .}

Lassen Sie uns hier ganz klar sagen, dass andere Trägerraketen unterschiedliche Aufstiegsprofile haben werden, aber alle hätten nur einen kleinen Bruchteil der Umlaufgeschwindigkeit in einer Höhe von 10 km erreicht, was wahrscheinlich ziemlich viel höher ist, als Sie verhandeln könnten eine Auslösehöhe eines Raketenschlitten-Startunterstützungssystems. Die Umlaufgeschwindigkeit beträgt etwa 7,6 km/s (das ist pro Sekunde!), und unser Space Shuttle hat in 10 km Höhe nur etwa 3 % davon erreicht, erlebt aber bereits ca. 70 % des maximalen dynamischen Drucks seines Flugprofils.

Wenn wir also unsere Trägerrakete mit viel höherer Geschwindigkeit von der Rampe lösen wollen, haben wir hier ein kleines Problem, und es geht so:

$$q = \tfrac12\, \rho\, v^{2}$$

Wo$q$ist dynamischer Druck in Pascal,$\rho$die Fluiddichte in kg/m ³ ist, und$v$ist die Fluidgeschwindigkeit in m/s.

Sie können sehen, dass es der Formel für kinetische Energie ziemlich ähnlich ist und sich genau wie diese exponentiell mit der Geschwindigkeit ändert$v$. Also wenn wir davon ausgehen$\rho$, und wir wollen die Geschwindigkeit unseres Fahrzeugs in der Auslösehöhe nur verdoppeln, wir haben den dynamischen Druck des Auslösepunkts verdoppelt, dem er standhalten muss. Oder um das 4,5-fache erhöht, wenn wir die Release-Geschwindigkeit verdreifachen wollen. Oder machte es 8-mal schlimmer, indem man die Release-Geschwindigkeit vervierfachte, und so weiter. Im Grunde für jeden$n$Erhöhung der Release-Geschwindigkeit, wir haben$n^2/2$so viel Druck zu widerstehen.

Und mit der 5-fachen Geschwindigkeit in 10 km Höhe und dem 12,5-fachen dynamischen Druck (fast das 9-fache des Max-Q von Space Shuttle) haben wir kaum ein gutes Drittel der Umlaufgeschwindigkeit erreicht, haben immer noch einiges an Atmosphäre und Schwerkraft Luftwiderstand zu überwinden, wofür unser freigegebenes Fahrzeug einen eigenen Antrieb benötigt. Es erfährt auch mehr Reibungserwärmung, akustische Vibrationen durch Bodeneffekte und wenn es Mach 1 erreicht, wenn es aus einer nicht evakuierten Röhre gestartet wird, oder einen starken Barrierenschock, wenn es aus einer evakuierten Röhre gestartet wird, sobald es es verlässt.

Es muss auch viel stärkere Seitenkräfte tolerieren als ein vertikal gestartetes Fahrzeug, also muss seine Konstruktion viel, viel stärker sein. All dies wird es schließlich schwerer machen und ein viel geringeres Nass-zu-Trocken- Massenverhältnis haben und größere Schwierigkeiten haben, die Orbitalgeschwindigkeit vom Auslösepunkt zu erreichen, woraufhin es immer noch der Tyrannei der Raketengleichung unterliegt . Herkömmliche, vertikal gestartete Raketen sind wirklich so elegant, wenn es darum geht, extreme Leistung bei kleinen Belastungsschritten auf das Fahrzeug zu übertragen und dort, wo es sie am besten verträgt. Du verlierst diese Eleganz, sobald du wie eine Kugel herausschießt . Es wird knallen, und sehr wahrscheinlich wird Ihr Fahrzeug mitfahren.

Es bleiben jedoch nur wenige dieser Probleme, wenn man eine solche Startrampe auf Körpern ohne Atmosphäre baut, wie zum Beispiel auf dem Mond.