Vynášení nákladu do vesmíru - cena a budoucnost

asija · Příspěvek od **asija** » 9/8/2011, 23:10

Ahoj, rad bych si podiskutoval nad současným stavem vynášení nákladů do vesmíru, a jeho náklady, a především nad moderními perspektivními řešeními jak ho výrazně zlevnit. Z vojenského hlediska je to jistě velice důležitá oblast, jednak v souvislosti s tématem "hvězdných válek" ale také proto že těsně souvisí se strategickými nuklárními zbraněmi, ať už přepravovanými balistickou raketou, nebo hypersonickými bombardery jaké byly projektovány studené války.
Taky mě ktomu ispiroval zájem který zde byl věnován odchodu amerického raketopánu do výslužby, nebo irácký "kosmický kanon"

Nechce se mi na to téma psat přímo hned článek (možná v budoucnu) spíše se chci jen prodiskutovat tot téma, protže vím že je na plabě hodně lidí kteří o něm hodně ví.

Tedy na začátek: Jaké technologie / prostředky vídíté jako perspektivní v blízké budoucnosti pro výrazné zlevnění / zjednodušení vynášení nákladů na oběžnou dráhu.

Namátkou vyberu několik podtémat:
- Plovoucí odpalovací stanice (plovoucí kosmodromy, ponorky, lodě)
- Létající odpalovací stanice (odpalvání střel z letadel, odpalování střel z balonů )
- proudový, náporový (ram) popř. supersonický (scram) vzduchem dýchající motor jako první stupeň

Pokud má někdo futurističtější choutky tak třeba taky
- kosmické dělo
- ram-tube (tj. kosmické dělo s postupnou vlnou hořícího paliva)
- kolejové urychlovače
- vesmírný výtah, vesmírný prak / smyčka...
....

asija · Příspěvek od **asija** » 9/8/2011, 23:33

Tedy mě osobně připadá jediné v blízké budoucnosti realizovatelné, a zároveň výrazně výhodné řešení vypouštění raket ze vzduchu, a chtěl bych ho proto prodiskutovat více.

Existuje několik variant.
1) Raketa je vynesena do ~30 km balonem (vodíkový/ heliový) od tud startuje.

2) ------,,---------- stim rozdílem že je střela spuštěna několik km volnym padem při čemž získá dostatečnou rychlost pro zážeh náporového motoru prvního stupně
.... výhodou použití balónů je jejich nízká cena a hmotnost.

3) Raketa je nesena těžkým transportním letadlem s vysokým obdokovým poměrem motoru a tedy vysokou palivovou efektivitou ( Turbovlnulové, nebo Turbofany ... klasický nákladní dopravní letoun ). Vypuštění střely probíhá při rychlosti ~900 km/h ve výšce 10-15km

4) Raketa je nesana nadzvukovým letadlem. V současnosti se vypouští střela Pegasus např. z F-15 (nejsem si jisty měl bych ověřit). Ideální by mi přišlo letadlo typu SR-71 Black-Brid. Je schopno ještě startovat klasicky z letiště horizonálně vlastními silami (tj. ne jako jiné ram-jet speciály) ale jeho motory ve delké rychlosti přechází z velké části do ram-jet modu, a vykazují tak velmi dobrý poměr výkon/hmotnost a taky minimální odpor (tj. odpor kompresoru/turbíny který při vysoce supersonických rychlostech limituje klasický proudový motor )

Ve všech případech platí pro vypuštění projektilu tyto výhody
1) raketa je vypuštěna z místa a směru ideálního pro zvolenou dráhu
2) Je možné vypouštět z rovníku s nejlepším zužitkováním odstředíve síly zemské rotace
3) Start je výrazně méně ovlivněn počasím (probíhá mimo troposféru)
4) Odpor vzduchu je výrazně nižší
5) Raketový motor má v řídkém vzduchu lepší účinost. Navíce je možné použít rozměr trysky optimalizovaný pro funkci ve vakuu.
6) Zážeh raketového morotu probíhá už při vyžší rychlosti. účinost raketového morotu je při vyžších rychlostech podstatně vyžší. Díky tomu je možné eliminovat přídavné rakety na tuhé paliva které pomáhají klasickým raketám "odlepit se od země". Rakety na tuhé pliva mají obvykle mnohem horší specifický impulz než rakety na kapalné paliva a vysokou cenu paliva.

Příspěvek od **skelet** » 10/8/2011, 06:56

Pegasus se vynáší méně "akčně" pod dopravním letadlem Lockheed L1011 TriStar

Jako perspektivní nosič raket se ukazuje Rutanův White Knight 2, které ho chtějí využívat jako nosiče raket, přičemž starší White Knight 1 už NASA používá pro letové zkoušky svých konceptů, např. X-37.

původní příspěvek jsem upravil po ztrátě fotek na serveru, a již jsem byl líný původní fotky hledat

Alchymista · Příspěvek od **Alchymista** » 10/8/2011, 11:43

Pokiaľ si odpustíme nerealizovateľné nápady a neexistujúce technológie, tak existujú len dve cesty, ako dopravu na obežnú dráhu (cenu za kilogram) výrazne zlacniť:
- postaviť lacné klasické rakety s vysokým konštrukčným číslom (> 12-15) s jednoduchými, lacnými, hoci menej účinnými motormi - a sekať ich veľkosériovo - túto cestu skúša momentálne SpaceX
- postaviť opakovane použiteľný jednostupňový stroj, ktorý vydrží desiatky letov bez generálnej opravy a aspoň 200-250 letov celkovo - túto cestu sa snaží realizovať projekt Skylon
- postaviť systém, ktorý by mal opakovane použiteľné motory a nádrže aspoň u prvého stupňa - tie obvykle ešte nepotrebujú tepelnú ochranu pri návrate, pretože sa vracajú z rýchlosti pod 3 km/s a vrchol ich dráhy je vo výške 50-70km. Medziletová kontrola a príprava k opakovanému letu musí byť jednoduchá - prestávka na kontrolu medzi letmi nesmie trvať viac ako týždeň - a to znamená, že raketový stupeň musí dokázať sám priletieť a pristáť na základni ako lietadlo. Lovenie z mora alebo pristátie v teréne neprichádza do úvahy, už transport medzi pristávacou a vypúšťacou základňou je veľký problém, pokiaľ to okrídlený raketový stupeň nezvládne sám. Motory musia vydržať aspoň dve desiatky letov a drak aspoň dve stovky letov.
Druhý stupeň je potom tvorený raketoplánom s motormi a riadiacim systémom a prípadne jednorázovou nádržou.

Z pohľadu ceny raketového nosiča na KPH sú najdrahšou položkou motory a k nim patriace systémy - tvoria až 70% ceny, nádrže a konštrukcia tvoria cca 20%, riadiaci systém 10-15%. Palivá, zvlášť klasické LOX+RP-1 a LOX+LH sú v porovnaní s tým doslova "halierová záležitosť" - predstavujú zhruba 1% ceny za štart, bežne sa uvažuje cena $1,5-4 za kilogram palivovej zmesy (RP-1 je prakticky letecký petrolej v cene $1-1,5 za kilogram, tekutý kyslík stojí okolo $130-250 za tonu).
Palivo pre Sojuz (250-270 ton LOX + "ruský RP-1") tak vychádza na $ 375 000 až milion dolárov pri cene štartu rakety okolo $40-45 milionov.

Pomery cien u rakiet na TPH sú značne odlišné - palivo tvorí nezanedbateľnú položku, pretože jeho cena dosahuje $20-50 za kilogram i viac a vzhľadom na menší výkon ho treba o 25-30% viac pre dosiahnutie rovnakej nosnosti. Motor a konštrukcia trupu sú u motorov na TPH "jedno a to isté" a predstavujú tlakovú konštrukciu, ktorá musí znášať vnútorný tlak 70-100 atm.

Ako absolútne minimum nosnosti treba požadovať:
- u jednorázových dopravných prostriedkov - nosnosť aspoň 5 (lepšie 10) ton na LEO 500km, tomu zodpovedá zhruba tona nákladu na GEO
- u opakovane použiteľných prostriedkov - nosnosť aspoň 500-1000kg nákladu na LEO 500km
Prečo? Päť ton je zhruba minimálna hmotnosť pilotovanej kapsuly pre tri osoby a zásob na 10-14 dní letu, podobne tona nákladu je zhruba hmotnosť troch osôb s výstrojou a zásob na 14 - 30 dní.
Slabšie prostriedky, s menšou nosnosťou, nie sú schopné dopraviť do vesmíru človeka - ale tiež nie sú schopné dopraviť ani akýkkoľvek iný rozumný náklad na GEO, k Mesiacu alebo kamkoľvek mimo LEO.

Malé nosiče majú zmysel len v prípade, že zákazníka nezaujíma "efektivita" ale "koncová cena" a svoj náklad (družicu) dokáže náležite zmenšiť, aby sa vošiel do prísnych hmotnostných obmedzení. I v takom prípade je ale výhodnejšie využiť väčší a efektívnejší nosič a "s niekým" sa o jeho nosnosť rozdeliť.

Pegasus - je veľmi drahý a má malú nosnosť - 443kg na LEO 200km je proste málo a vlastná hmotnosť 23,3 tony veľa (pomer cca 1:50 je daň za málo efektívne motory na tuhé palivo a troj- alebo štvor-stupňové usporiadanie). Cena štartu bola v roku 1994 cca $12 mil, dnes cez $30 milionov - je to viac ako $27000 za kilogram v roku 1994 a dnes viac ako $60000 za kilogram. Systém má určité výhody, ale tie využili hlavne vojaci - pre civilov je to zbytočné a drahé.

White Knight 2 - podobne ako Pegasus - nosnosť 200kg na LEO pri štartovacej hmotnosti rakety 17 ton (1:85) cenu za kilogram rozhodne nevylepší.

Štart z hypersoniku ála SR-71 - hypersonik musí mať nosnosť aspoň 20-25 ton pre náklad <500kg na LEO. Oddelovanie a stabilizácia nákladu pri rýchlosti Mach >3 rozhodne nie je jednoduchá záležitosť.

Štarty z balónu - základný problém je podobný, ako u Pegasusu - raketa nemôže byť dostatočne veľká na to, aby uniesla "niečo rozumné". Postaviť stratosferický balón s dostupom cca 30km a nosnosťou cca 20 - 30 ton nieje práve lacné - podobný balón s nosnosťou 1 tona stojí dnes najmenej milion dolárov a je to takmer "hranica dosiahnuteľného", pritom cena rastie takmer exponenciálne s veľkosťou. Navyše - extrémne veľké balóny sú mimoriadne náročné na počasie v celej výške troposféry - vánok 5-7km/h je už "no fly condition ".

Predbežný záver o vzdušnom štarte
"Bežné" lietadlá majú až príliš malú nosnosť a malá raketa je neefektívna - konštrukčné číslo je nízke, a tak je nízka i nosnosť na LEO. Absolútne i relatívne. Z toho potom vyplíva veľmi vysoká cena za vynesenie 1 kilogramu nákladu. To je argument, ktorý ich vo väčšine prípadov stavia celkom mimo hry.

Trochu iná je situácia, pokiaľ by bol k dispozícíí lietadlový nosič pre vzdušný štart s nosnosťou rádu niekoľko sto ton - napríklad AN-225 Mrija s nosnosťou cca 400 ton na externom závese.
Raketa Sojuz váži zhruba 300 ton a má nosnosť cca 7-8 ton na LEO. Dal by sa teda vytvoriť systém, ktorý by pozostával z Mrije a nejakého raketového stupňa, a dokázal na LEO dopraviť zhruba 10 ton nákladu alebo malý raketoplán (cca 15 ton) s nosnosťou cca až dve tony.
Raketoplán je ťažší ako náklad rakety, pretože nádrže s palivom môžu byť jednoduchšie ako viacstupňový systém a celý systém je jednosťupňový, pričom motory sú súčasťou raketoplánu a je ich teda len jedna sada, nie pre každý stupeň zvlášť. Na druhej strane je raketoplán a motory opakovane použiteľné a jednorázová by bola len palivová nádrž (relatívne lacná).

"Delostrelecké" systémy - problémom sú veľmi vysoké zrýchlenia pri štarte, vysoké aerodynamické a tepelné namáhanie nákladu (prelietava rýchlosťou cca 9-10km/s prinajmenšom vrchnými vrstvami troposféry) a fakt, že navedenie na obežnú dráhu je dvojimpulzový manéver - náklad musí mať ešte vlastný motor!
"Urýchľovače" elektromagnetické a iné - buď majú podobný problém ako delostrelecké systémy, alebo musia urýchľovať hmoty podobné hmotám klasických rakiet a to znamená gigantické príkony energie. Navyše sú to veľkorozmerné konštrukcie dlhé až desiatky kilometrov.

Kozmický výťah - zatiaľ neexistuje použiteľný materiál, to za prvé. A za druhé - všetok materiál na jeho stavbu treba nejak dostať do vesmíru na GEO. A sú to tisíce až desaťtisíce ton!

Ionor · Příspěvek od **Ionor** » 10/8/2011, 11:47

Vesmírny výťah je zaujmavý, ale pokiaľ viem tak zatiaľ jediný materiál schopný poslúžiť ako lano pri odstredivej sile Zeme sú uhlíkové nanovlákna, ktoré zatiaľ nevieme vyrábať v potrebnej veľkosti.

Koľajnicová rampa je reálnejšia, ale chce to miesto blísko rovníku a nejaké pohorie na ktoré môže byť navedené jej niekoľkokilometrové stúpanie za rozumnú cenu.
Vhľadom na krajiny, ktoré rovník pretína je ale výstavba elektromagnetickej rampy problém.

vencour · Příspěvek od **vencour** » 10/8/2011, 19:23

Ok a nešlo by startovat z moře, z nějakého potrubí, tunelu? Udělat kolejovou dráhu pro zrychlení pod vodou v potrubí? Potrubí by mohlo být trochu pružné, aby sneslo nějaké ty vlny. Pod určitým úhlem by pak ústilo nad hladinou a ona družice by už měla takovou rychlost, aby se dostala na oběžnou dráhu ... třeba i za pomoci vlastních motorů.

jersey.se · Příspěvek od **jersey.se** » 10/8/2011, 19:35

Problém je že by pak musela velkou rychlostí prolétnout spodními vrstvami atmosféry, z toho důvodu je kosmický kanón, ale i urychlovací dráha kolejová či elektromagnetická velmi problematická. Proto dnes všechny nosiče startují kolmo a vodorovně se stáčejí dosti pozvolna ve větší výšce. Ani start rakety po odhozu z letadla zatím nevypadá příliš nadějně. Zkrátka dnes neexistuje letadlo které by dostalo dostatečně velkou raketu dostatečně vysoko, přičemž rychlost při odhozu má spíše důležitost druhé velikosti (tedy pokud nemluvíme o několikanásobku rychlosti zvuku, aby to mělo smysl). Z mého pohledu byly zajímavé představy dalšího vývoje rakety Eněrgija, která měla být z větší části mnohonásobně použitelná.

vencour · Příspěvek od **vencour** » 10/8/2011, 19:40

Ok, jsou torpéda (Škval), která používají superkavitaci ... tohle by nešlo asi v hustém vzduchu realizovat, co? Tj. nějak obejít tradiční fyziku při letu atmosférou?

Ionor · Příspěvek od **Ionor** » 10/8/2011, 19:51

Vzduchovú bublinu vo vzduchu nemá veľký zmysel robiť, použitie plazmového štítu na regulovanie ideálneho tvaru špice rakety v priebehu meniacich sa podmienok atmosféry v rôznych výškach pre zmenšenie energetických strát je podľa mňa maximálne v rannej fázy vývoja.

vencour · Příspěvek od **vencour** » 10/8/2011, 20:19

Pravda, ještě jedna věc se tu nevzpomněla, objevení a prozkoumání gravitonu. Tj. objevení možnosti nějak obejít složky v rovnici zachování energie, jejich poměr a vztah. Tak, aby šlo např. snáze manipulovat s hmotnými předměty.

Příspěvek od **skelet** » 10/8/2011, 20:39

to je Star Trek

jersey.se · Příspěvek od **jersey.se** » 10/8/2011, 20:56

Já kdysi vynalezl princip Nasranostního reaktoru pro lodě létající nadsvětelnou rychlostí. Využíval Heisenbergova principu neurčitosti, který připouští takové narušení vakua, při němž z něj lze odebrat jisté kvantum energie, pokud bude toto kvantum energie do vakua vráceno v jistém dostatečně krátkém (dnes neměřitelném) časovém intervalu. Princip tohoto reaktoru spočíval v tom, že v jeho supravodivých smyčkách měla být nakonzerována nasranost humanoidů či speciálně pro tento účel chovaných zvířat (například králíků ze kterých byli náročným výcvikem vychováni alkoholici a kteří byli po dobu letu držení na suchu). Uvnitř reaktoru by bylo vytvořeno dobré fyzikální vakuum, ve kterém by podle kvantové teorie vznikaly a zase zanikaly páry částic a antičástic a objevovala by se a zase zanikala kvanta energie. Vystavení tohoto vakua silnému magnetickému poli příslušných frekvencí by mohlo vnést do těchto vzniků a zániků jistou harmonii, takže by bylo možno energii odebírat a působení nasranosti z cívek kolem reaktoru by mohlo odradit vakuum o požadování navrácení odebrané energie zpět..

Příspěvek od **skelet** » 10/8/2011, 20:59

Star trek a komunistický seriál

Alchymista · Příspěvek od **Alchymista** » 10/8/2011, 21:23

Nerealizovateľných blbostí sa dá vymyslieť neobmedzené množstvo bez potreby akýchkoľvek vedomostí, na realizovateľné riešenia treba rozsiahle vedomosti.

Už keď sa uvažuje normálna raketa, vstupuje do hry ciolkovského rovnica, ktorá má tvar
Vchar=W ln(Ms/Mk)=Isp ln(C)
kde Vchar je charakteristická rýchlosť,
W je rýchlosť výtokových plynov z raketového motoru,
Ms je počiatočná hmotnosť (náklad + konštrukcia + motory + palivo),
Mk je konečná hmotnosť (náklad + konštrukcia + motory)
Isp je špecifický impulz (pomer ťahu a sekundovej spotreby paliva)
C je ciolkovského číslo - pomer Ms/Mk
ln je prirodzený logaritmus

Charakteristický rýchlosť (minimálne 9200m/s) je vždy vyššia ako prvá kozmická rýchlosť (cca 7900m/s) pretože zahrňuje v sebe jednak energiu potrebnú na urýchlenie nákladu a konštrukcie na "horizontálnu" rýchlosť zodpovedajúcu prvej kozmickej rýchlosti a jednak straty - gravitačné straty (energiu potrebnú na zdvihnutie nákladu, konštrukcie a paliva do výšky) a aerodynamické straty spôsobené prekonávaním odporu vzduchu.
Gravitačné straty sa postupne menia, ako raketa spotrebováva palivo - najvyššie sú pri zemi, keď je ešte raketa plná paliva a hlavná časť z nich predstavuje energiu potrebnú na zdvihnutie zostatku paliva do väčšej výšky. Sú tiež závislé na čase - raketa, ktorá stúpa pomaly, má väčšie gravitačné straty, ako raketa s vysokým zrýchlením, pretože palivo sa spotrebováva i pri "vysení".
Aerodynamické straty sa menia s odporom vzduchu a ten je zasa závislý na rýchlosti a výške (a tvarovom aerodynamickom koeficiente, samozrejme).
Presné vyčíslenie strát je ale pomerne zložité, je ovplynené tvarom dráhy navedenia na obežnú dráhu. Respektíve naopak - dráha navedenia je volená tak, aby súčet gravitačných a aerodynamických strát bol čo najmenší.

Jednou z možných ciest sú okrídlené prostriedky ako "prvý stupeň" - majú možnosť relatívne jednoducho obmedziť časť gravitačných strát - zväčšia sa síce straty aerodynamické, ale gravitačné straty klesajú rýchlejšie. Zároveň využívajú atmosferický kyslík (klesá množstvo neseného paliva) a majú tak veľmi vysoký špecifický impulz (rádovo vyšší ako raketové motory). To je vlastne základ pre nápady so vzdušným štartom.

Raketa Pegasus XL, ktorá má pri vzdušnom štarte nosnosť 443kg by mala pri pozemnom štarte nosnosť 200-220kg - teda vzdušný štart vo výške cca 12km a rýchlosti 900km/h umožňuje zvýšiť nosnosť štvorstupňovej rakety na TPH rakety zhruba dvojnásobne.
Raketové stupne Pegasus majú špecifický impulz cca 2840-2890Ns/kg, prepočítaný špecifický impulz lietadlového nosiču Lockheed L-1011 TriStar je 95-100 000Ns/kg. Tu pekne vidno, ako neefektívne sú raketové motory v porovnaní s dvojprúdovým reaktívnym motorom s veľkým obtokovým pomerom.

Horny · Příspěvek od **Horny** » 11/8/2011, 01:56

Tohle taky vypadá docela zajímavě. Bohužel teorie opět stojí na nanomateriálu. http://www.letajicitalir.cz/

Alchymista · Příspěvek od **Alchymista** » 11/8/2011, 02:59

Nie, nestojí to na nanomateriáloch. Celé to stojí na chybnej predstave.
Autor vôbec nepochopil, aké sily pôsobia na bod na obvode rotujúceho veľkorozmerného disku a ako vlastne funguje družica.
A druhý, už vlastne nepodstatný problém - autor nemá žiadnu predstavu, aké energie a výkony treba mať k dispozícii, pokiaľ chce meniť, zakriviť, dráhu telesa pri rýchlosti 8km/s v oválnom prstenci.

Příspěvek od **kacermiroslav** » 12/2/2012, 20:53

Mě se moc líbila myšlenka Arhura C. Clarka na stavbu vesmírného výtahu (v jeho knížní podbě ze Sri Lanky). Pokud by byl skutečně k dispozici vhodný materiál, tak by se jednalo o nejlevnější a i k ekologii nejšetrnější způsob dopravy materiálu do vesmíru.

Trismegistos · Příspěvek od **Trismegistos** » 4/3/2012, 02:14

Japonská společnost Obayashi hodlá uvést do provozu v roce 2050 kosmický výtah, který bude přepravovat náklady a cestující k pásu z uhlovodíkového nanopotrubí. Rychlost nového dopravního prostředku má činit 200 km za hodinu, cesta potrvá asi týden. Energii získá ze slunečních panelů.
Zdroj: Scitech Daily