Welche Vorteile können durch den unterirdischen Start erzielt werden?

Dies ist im Wesentlichen ein Kolbenstart; Im Prinzip könnte ein ausreichend tiefes Loch es Ihnen ermöglichen, den Kolben auf Geschwindigkeiten zu bringen, die sich der Schallgeschwindigkeit in dem expandierenden Gas nähern, das den Kolben antreibt.

Angenommen, Sie sind durch die Stärke der Raketenstruktur und gewöhnliche Luft als Antriebsmedium auf 6 g begrenzt, benötigen Sie einen kilometertiefen Kolben und beschleunigen in 6 Sekunden auf Mach 1 (~ 340 m / s). Das spart Ihnen etwa 4 % des gesamten Delta-v, das Sie benötigen, um LEO zu erreichen, oder etwa 10 % eines typischen Beitrags der ersten Stufe.

Es ist noch nicht getan, weil die Konstruktion eines raketengroßen, kilometertiefen Kolbens eine ziemlich gigantische Aufgabe ist und es einfacher ist, die erste Stufe Ihrer Trägerrakete einfach etwas größer zu machen.

Wie Henry Spencer in diesem Beitrag auf yarchive feststellt :

Viele neuartige Startschemata benötigen eine gewisse Hilfe von Raketen. Was viele von ihnen umbringt, ist eine Kompromissstudie, bei der nur der Raketenteil vergrößert und der Nicht-Raketenteil entfernt wird. Überraschenderweise funktioniert das besser und billiger.

Beachten Sie, dass bei siloabgeschossenen Raketen das Abgas typischerweise aus dem Silo entlüftet wird, anstatt dazu zu dienen, das Silo unter Druck zu setzen.

Warum werden sie entlüftet?

Ein nicht entlüfteter Silo würde den Umgebungsdruck, in den die Triebwerke ablassen, erheblich erhöhen, mit entsprechendem Schubverlust, möglicher Strömungstrennung usw. Sie möchten Ihr Triebwerk nicht in einer Druckkammer laufen lassen. Siehe diese Antwort für die Gleichungen: Wie viel Effizienz geht bei einer festen De Laval-Düse verloren, wenn sie für den atmosphärischen Einsatz modifiziert wird?

Es gab keine nennenswerten Kraftstoffeinsparungen durch den Silostart. Es wurde getan, um die Rakete vor feindlichen Angriffen zu schützen.

Welche Vorteile können erzielt werden?

Energetisch eher nicht. Du sprichst im Grunde von einer Variante einer ersten Stufe, die aber nur für die ersten Sekunden hilft.

Ein echter Vorteil könnte jedoch die erhöhte Fähigkeit sein, bei relativ schlechtem Wetter zu starten. Wind ist eher ein Problem bei langsamen Geschwindigkeiten. Wenn Sie also die Oberflächenhöhe ausreichend schnell durchbrechen, können Sie bei höheren Windgeschwindigkeiten starten.

Es ist nicht wirklich der Wind selbst, der einen Start problematisch macht. Das Problem ist, dass die Erdoberfläche den Wind bremst. Dadurch erhalten Sie ein höhenabhängiges Windprofil. Je höher, desto stärker der Wind. Dabei kippt die Rakete um.

Vorteile:

1. weniger Treibstoff benötigt, um die Umlaufbahn zu erreichen

Probleme:

1. Um genug Geschwindigkeit zu erreichen, braucht man eine lange Strecke = einen tiefen Schacht. 3 km sind ungefähr die praktische Grenze.
2. Um die Rakete (sagen wir, sie wiegt 550 Tonnen, das Startgewicht einer Falcon 9) auf einer Strecke von nur 3 km auf eine brauchbare Geschwindigkeit zu bringen, braucht man viel Kraft. Der F9 verwendet 9 Merlin-Triebwerke, um vom Pad zu beschleunigen, also die Menge an Leistung, die Sie benötigen: Falcon 9 FT: 7.607 kN (1.710.000 lbf) Schub beim Abheben.

Das Strahltriebwerk RR Trent 800 ist als Flugzeugtriebwerk oder als Triebwerk erhältlich. Es erzeugt 36 MW Wellenleistung oder 80 klbf/360 kN Schub. Wenn Sie diesen Umbau als Abkürzung verwenden, benötigen Sie 21 dieser Motoren, um beim Start so viel Leistung wie der F9 bereitzustellen, oder 760 MW, um die Rakete mit ihrer Plattform mit der gleichen Beschleunigungsrate anzuheben wie ein F9, der vom Pad kommt. Linearmotoren, die 760 MW bewältigen können, werden riesig sein (rechnen Sie mit ein paar hundert Tonnen), ganz zu schweigen von den Stromleitungen, die erforderlich sind, um so viel Leistung zu transportieren. 760 MW entsprechen 30 TGV-Zügen.

3. Sie müssen die Plattform auf halber Höhe des Schachts abbremsen, damit sie nicht herausschießt (bei ein paar hundert Tonnen kann sie nicht weich landen). Das halbiert die erreichbare Geschwindigkeit.

4. Sie verlieren die Möglichkeit, die Motoren zu starten und vor dem Start zu testen. Jede Fehlfunktion beim Starten der Motoren führt zu einem Absturz und Missionsverlust. Du kannst die Motoren nicht starten, während du noch im Tunnel bist. Sie wollen nicht, dass der Raketenauspuff die Seiten der Rakete hochschießt.

Wenn Sie den Kolben mit komprimiertem Gas bewegen möchten, wie viel Gas benötigen Sie?

• Nehmen wir an, 550 Tonnen Raketen plus 50 Tonnen Kolben
• Kolbendurchmesser 5 m, Fläche 19,6 m ³
• Schacht 1 km tief (Anlehnung an Russells Antwort)
• benötigter Druck, um dies vom Boden abzuheben: 600.000/19600 = 30 kg/dm ² (30 bar)
• Gasmenge, die benötigt wird, um einen 1 km tiefen Schacht auf 30 bar zu füllen: spezifisches Luftgewicht beträgt 1,2 g/m ³ , Schacht enthält 19600 m ³ x 30 bar entspricht 705 Tonnen Luft.

Wer das also machen will, braucht 705 Tonnen Raketenabgas bei 30 bar, um den Schacht zu füllen. Das ist mehr, als die erste Stufe des F9 für ihre gesamte Verbrennung verbraucht. Anstatt Kraftstoff zu sparen, verbrauchen Sie also mehr. Sie haben auch die 10 % kleinere Rakete (eine vernachlässigbare Einsparung, Sie sparen nur einen Laufabschnitt Aluminium, indem Sie die Tanks etwas kürzen) eingetauscht, um einen 1 km tiefen Schacht mit einem gasdichten Verschluss bauen und warten zu müssen zwischen Kolben und Welle.

Und diese Berechnung ignoriert einige Probleme:

• Wenn Sie eine Rakete verwenden, um dieses Gas zu erzeugen, kühlt das Gas ab, wenn es den Raketenmotor verlässt, wodurch sein Druck gesenkt wird.
• Raketentriebwerke werden ineffizient, wenn sie gegen einen hohen Abgasdruck laufen müssen.
• Ich habe ignoriert, dass das Gas den Kolben und die Rakete beschleunigen muss. Der von mir berechnete Druck hält den Kolben nur vom Boden ab, ohne ihn zu beschleunigen.

Daher sind sowohl elektrische als auch pneumatische Energie zum Bewegen des Kolbens nicht machbar.

Ich würde es nicht auf chemischer Basis machen, sondern eher auf elektromagnetischer Basis wie dem Electromagnetic Aircraft Launch System (EALS), das derzeit auf den neuen Flugzeugträgern der Gerald R. Ford-Klasse eingeführt wird. Das ist ziemlich genau das, was Sie wollen.

Zwei Fragen zu dieser Technik fallen mir ein:

• Zunächst bräuchte man einen gigantischen Stromspeicher, der seinen gespeicherten Strom in Sekundenbruchteilen abgeben könnte. Das wäre eine gewaltige Aufgabe, zumal Raketen deutlich schwerer sind als Kampfflugzeuge.
• Selbst wenn Sie das technische Problem überwinden, wären Sie immer noch durch die Stabilität der Rakete und den Luftwiderstand in der unteren Atmosphäre eingeschränkt. Wenn Sie zu schnell starten, wird die Rakete zerfallen oder in der Atmosphäre verglühen. Wie Russell Borogove bereits in seiner Antwort feststellte, sind Sie auf etwa 6 g beschränkt, was in Bezug auf Delta-V keinen großen Vorteil bringt. Sie könnten die Rakete stabiler machen, aber dies würde im Gegenzug das Gewicht erhöhen und somit Ihrer Absicht zuwiderlaufen.

Da dies noch niemand in seine Antwort aufgenommen hat:

Welche Vorteile können durch den unterirdischen Start erzielt werden?

Geheimhaltung darüber, welche Rakete genau da ist, was sie oben drauf hat und wie sie startbereit ist. Die Wartung kann auch ohne einfache Beobachtungserkennung durchgeführt werden. Dies ist wichtig für Interkontinentalraketen, deren abschreckende Wirkung etwas vom Panoptikum -Prinzip abhängt , dass ein Gegner glaubt, sie könnten jederzeit startbereit sein, ohne tatsächlich zu wissen, ob sie zu einem bestimmten Zeitpunkt startbereit sind oder nicht. Wenn die Raketen nicht startbereit sind, sondern sich im Untergrund befinden, wird diese Schwäche des Systems nicht unbedingt auf eine Weise offengelegt, die ein Beobachter erkennen und ausnutzen könnte. Dadurch kann der Instandhalter bei der Planung von Reparaturen usw. etwas flexibler sein.

Wenn der Raketenkommandant außerdem die Installation einer neuen/aufgerüsteten Nutzlast ausprobiert, ermöglicht ihm das unterirdische Silo, strategisch zu entscheiden, ob/wann diese Informationen einem potenziellen Gegner offengelegt werden sollen.