Запуск ракетных саней , также известный как наземная система помощи при запуске , система помощи при запуске с помощью катапульты и запуск с небесной рампы , представляет собой предлагаемый метод запуска космических аппаратов. В этой концепции ракета-носитель поддерживается направленной на восток рельсой или магнитной подвеской, которая поднимается по склону горы, в то время как внешняя сила используется для ускорения ракеты-носителя до заданной скорости. Использование внешней силы для начального ускорения уменьшает количество топлива, которое ракета-носитель должна нести для выхода на орбиту. Это позволяет ракете-носителю нести большую полезную нагрузку и снижает стоимость выхода на орбиту. Когда скорость, сообщаемая ракете-носителю наземным ускорителем, становится достаточно большой, становится возможным одноступенчатый полет на орбиту с многоразовой ракетой-носителем.
Для гиперзвуковых исследований в целом на базе ВВС Холломан по состоянию на 2011 год испытывались небольшие ракетные салазки, движущиеся со скоростью до6453 миль в час (2885 м / с; 8,5 Маха). [1]
По сути, небесная рампа сделает самую дорогую первую ступень ракеты полностью многоразовой, поскольку салазки возвращаются в исходное положение для дозаправки и могут быть повторно использованы примерно через несколько часов после использования. Стоимость нынешних ракет-носителей составляет тысячи долларов за килограмм сухого веса ; Целью запуска салазок будет снижение требований к производительности и амортизация расходов на оборудование при частых и повторяющихся запусках. В конструкциях горных саней с наклонными рельсами часто используются реактивные двигатели или ракеты для ускорения установленного на них космического корабля. Электромагнитные методы (такие как Bantam, Maglifter и StarTram ) — это еще один метод, исследованный для ускорения ракеты перед запуском, потенциально масштабируемый для достижения большей массы и скорости ракеты, чем запуск с воздуха . [2] [3]
Ракеты, несущие с собой собственное топливо, используют подавляющее большинство этого топлива в начале своего пути для ускорения большей части того же самого топлива, как это отражено в уравнении ракеты . Например, космический шаттл использовал более трети своего топлива только для того, чтобы достичь скорости 1000 миль в час (1600 км/ч). [4] Если бы эта энергия обеспечивалась без (пока или вообще) использования топлива, которое несет ракета, ее потребность в топливе была бы значительно уменьшена, а ее полезная нагрузка могла бы составлять большую часть ее стартовой массы, что увеличивало бы ее эффективность.
Из-за таких факторов, как экспоненциальный характер уравнения ракеты и более высокий тяговый КПД , чем при стационарном взлете ракеты, исследование НАСА Maglifter показало, что запуск ракеты ELV со скоростью 270 м / с (600 миль в час) с горы высотой 3000 метров Peak может увеличить полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту на 80% по сравнению с той же ракетой с обычной стартовой площадки . [5] Горы такой высоты доступны на материковой части США для упрощения логистики или ближе к экватору, чтобы немного больше выиграть от вращения Земли . Среди других возможностей, с помощью такой помощи при запуске более крупный одноступенчатый вывод на орбиту (SSTO) может быть уменьшен на 35% по стартовой массе, а в одном рассматриваемом случае количество двигателей сократится до 4 вместо 6. [5]
При ожидаемом КПД, близком к 90%, электроэнергия, потребляемая при запуске 500-тонной ракеты, составит около 30 гигаджоулей (8300 кВтч) (каждый киловатт-час стоит несколько центов при текущей стоимости электроэнергии в Соединенных Штатах). за исключением любых дополнительных потерь при хранении энергии. Это система с низкими предельными затратами, в которых преобладают первоначальные капитальные затраты [3]. Несмотря на то, что она является фиксированной площадкой, по оценкам, она обеспечивает существенное увеличение полезной нагрузки для значительной части переменных азимутов запуска, необходимых для различных спутников, с маневрированием ракеты во время ранний этап подъема после запуска (альтернатива добавлению электродвигателя для последующего изменения наклонения орбиты ). Затраты на направляющие на магнитной подвеске оценивались в 10–20 миллионов долларов за милю в исследовании 1994 года, в котором предполагалось, что ежегодные затраты на техническое обслуживание магнитной подвески составят порядка 1% капитальных затрат. [5]
Запуск ракетных саней помогает транспортному средству набрать высоту, и предложения обычно включают в себя трассу, поднимающуюся по склону горы. Преимущества любой системы запуска, стартующей с большой высоты, включают снижение гравитационного сопротивления (стоимости подъема топлива в гравитационном колодце). Более разреженный воздух уменьшит сопротивление воздуха и обеспечит более эффективную геометрию двигателя. Сопла ракеты имеют разную форму (степень расширения), чтобы максимизировать тягу при разном давлении воздуха. (Хотя аэроспайковый двигатель НАСА для Lockheed Martin X-33 был разработан с возможностью изменения геометрии, чтобы оставаться эффективным при различных давлениях, аэроспайковый двигатель увеличил вес и сложность; финансирование X-33 было отменено в 2001 году; и другие преимущества от запуска помощь останется, даже если аэроспайковые двигатели дойдут до летных испытаний). [6] [7]
Например, на высоте 2500 метров воздух на 39% разреженнее. Более эффективная геометрия ракетного шлейфа и уменьшенное трение воздуха позволяют двигателю быть на 5% более эффективным в расчете на количество сожженного топлива. [8]
Еще одним преимуществом запусков на большую высоту является то, что они устраняют необходимость дросселирования двигателя при достижении максимального предела Q. Ракеты, запущенные в плотной атмосфере, могут двигаться так быстро, что сопротивление воздуха может привести к повреждению конструкции. [9] Двигатели замедляются при достижении максимального Q, пока ракета не поднимется достаточно высоко, чтобы они могли возобновить работу на полную мощность. Atlas V 551 является примером этого. Максимального Q он достигает на высоте 30 000 футов. Его двигатель снова дросселируется до 60% тяги на 30 секунд. [10] Это уменьшенное ускорение увеличивает сопротивление силы тяжести, которое ракете приходится преодолевать. Кроме того, двигатели космических кораблей, рассчитанные на максимальную добротность, более сложны, поскольку их необходимо дросселировать во время запуска.
Для запуска с большой высоты не требуется дросселировать на максимальном Q, поскольку он начинается над самой толстой частью земной атмосферы.
Дебора А. Грант и Джеймс Л. Рэнд в книге «Система запуска с помощью воздушного шара – воздушный шар тяжелого класса» [11] писали: «Некоторое время назад было установлено, что ракета, запускаемая с земли, способная достигать 20 км, сможет достичь высоты почти 100 км, если его запустить с 20 км». Они предлагают поднимать небольшие ракеты над большей частью атмосферы на воздушном шаре, чтобы избежать проблем, обсуждавшихся выше.
Ракетные сани на полигоне Чайна-Лейк достигли скорости 4 Маха, перевозя груз массой 60 000 кг. [ нужна цитата ] Гусеничная гусеница, которая обеспечивала скорость запуска 2 Маха или выше, могла бы сократить количество топлива на орбите на 40% или более, одновременно помогая компенсировать потерю веса при стремлении создать полностью многоразовую ракету-носитель . Расположенная под углом 55° к вертикали гусеница на высокой горе может позволить одной ступени вывести на орбиту многоразовый корабль без каких-либо новых технологий. [12]