Kann ich in mein Raumschiff springen und die Erde verlassen?

Nach dem Aufkommen wiederverwendbarer Trägerraketen wird der Weltraum viel zugänglicher. Aber der Haupttraum der Enthusiasten ist immer noch nicht realisierbar. Wollten Sie schon immer Ihr eigenes Raumschiff auf dem Rasen Ihres Hauses parken lassen? Damit es gemäß der Reihenfolge der Ferse des linken Fußes möglich ist, in die Umlaufbahn zu fliegen, Muskeln in Schwerelosigkeit zu dehnen, die Aussicht auf den Weltraum und die Erde zu bewundern, vielleicht sogar ein kosmisches Bordellhotel zu besuchen - im Allgemeinen etwas zu tun, das der Fantasie genügt. Und wenn Sie müde sind, verlassen Sie die Umlaufbahn und landen Sie irgendwo in der Nähe. Vergessen Sie nicht, das Schiff in Alarmbereitschaft zu versetzen. Ist es möglich? Eine Person mit zumindest ein wenig Verständnis für das Thema kommt sofort mit der Antwort NEIN, aber lassen Sie uns keine voreiligen Schlussfolgerungen ziehen und versuchen, es herauszufinden.

Zuerst müssen Sie die charakteristische Geschwindigkeit (im Folgenden ΔV) herausfinden, die das Raumschiff benötigt, um in die Erdumlaufbahn zu gelangen. Vereinfachen Sie sofort unsere Aufgabe und gehen Sie davon aus, dass wir in Florida leben und streng in östlicher Richtung in eine kreisförmige Umlaufbahn von 200 x 200 km fliegen. Dann beträgt das erforderliche ΔV 9,4 km / s. Diese Zahl beinhaltet sowohl den Satz der erforderlichen Umlaufgeschwindigkeit von 7,8 km / s als auch die Überwindung von Aerodynamik, Schwerkraft, Kontrolle und, was für weitere Berechnungen besonders praktisch ist, Gegendruckverluste (Raketentriebwerke auf Meereshöhe arbeiten weniger effizient als im luftleeren Raum).

Welche Motoren müssen auf unserem Raumschiff installiert werden? Betrachten Sie das einzige Mittel zum Start in die Umlaufbahn, das derzeit beherrscht wird - chemische Raketentriebwerke. Ausgehend vom Boden hat der Wasserstoff-Sauerstoff-Motor RS-68A in 409 Sekunden einen spezifischen Impuls im Vakuum (im Folgenden einfach als I. I. bezeichnet). Der Druck in der Brennkammer ist jedoch weit von der Aufzeichnung entfernt. Erhöhen auf 200 atm. und höher ist es durchaus möglich, eine u.i. 430 s (RS-25 und RD-0120 haben eine Vorhersagekraft von 453-455 s. Sie werden jedoch unter Vakuum wahrscheinlicher geschärft und haben mehr Verluste für den Gegendruck.) Nach der Tsiolkovsky-Formel $$$V = 430 * 9,81 * ln (M1 / M2)$ es stellt sich heraus, dass eine einstufige Rakete mit einem solchen Motor ein Massenverhältnis von 10 zu 1 haben muss, um in die Umlaufbahn zu gelangen, d.h. Für jedes 1 kg Trockengewicht des Schiffes, einschließlich Fracht, sollten 9 kg Wasserstoff-Sauerstoff-Kraftstoff berücksichtigt werden. Schwierig, aber nicht unmöglich angesichts der jüngsten Fortschritte bei Verbundtanks für kryogene Kraftstoffe. Aber es gibt ein kleines Problem. Die Dichte des Wasserstoff-Sauerstoff-Kraftstoffpaares ist sehr gering - nur 0,3155 g / cm ³ . In dieser Situation ist das Raumschiff sehr groß. Sie können es nicht im Hinterhof des Hauses parken. Aber welche Größe wird optimal sein?


Das abgebrochene einstufige VentureStar-Raumfahrzeugprojekt sollte 20 Tonnen in eine niedrige Umlaufbahn bringen, fast ein Drittel weniger als das Shuttle, mit vergleichbaren Abmessungen

Stellen wir uns zur Vereinfachung aller weiteren Berechnungen vor, dass das Raumschiff die Größe des Space-Shuttle-Orbiters haben sollte. Ja, der Orbiter ist ein bisschen groß für den persönlichen Transport und kann 7-8 transportieren, nicht eine Person, aber in Gesellschaft von Freunden und Verwandten macht das Fliegen im Weltraum viel mehr Spaß und die Größen sind für Business-Jets Standard. Da wir nicht die Fracht, sondern nur die Besatzung befördern müssen, füllen wir den gesamten Frachtraum mit einem Volumen von 300 m ³ mit Raketentreibstoff und prüfen, ob er in die Umlaufbahn gelangen kann.


In diesem Bild können Sie die Größe des Orbiters gut einschätzen - groß, aber nicht groß

Die Masse des Orbiters ohne Last, aber mit Kraftstoff für Rangiermotoren, beträgt ungefähr 90 Tonnen. Wenn mit Wasserstoff-Sauerstoff-Dampf gefüllt, verbleiben 94,65 Tonnen Kraftstoff an Bord. Wenn u.i. in 430 s. wir erhalten durch die Formel $$$ΔV = 430 * 9,81 * ln (184,65 / 90) = 3030$ m / s Um in die Umlaufbahn zu gelangen, benötigen Sie mehr als das Dreifache! Können wir einen dichteren Kraftstoff probieren? Ein Paar Kerosin-Sauerstoff mit einer Dichte von 1,036 g / cm ³ und U. 337 p. (wie in der RD-170/180/190-Familie) wird geben $$$ΔV = 337 * 9,81 * ln$$$$(400,8 / 90) = $ 493$ m / s, ein Paar UDMH-AT mit einer Dichte von 1,185 g / cm ³ und U. 318 p. (wie RD-264) wird geben $$$ΔV = 318 · 9,81 · ln (445,5 / 90) = $ 498$ m / s Der Mangel an ΔV ist immer noch fast doppelt so hoch!

Aber gibt es Kraftstoffdampf mit einer viel höheren Dichte und einer besseren Benutzeroberfläche? Ja, und es heißt Fluorhydrazin - eine Dichte von 1,344 g / cm ³ bei c.u. so viel wie 402 s! Füllen Sie ihre Shuttle-Umlaufbahn und erhalten Sie $$$ΔV = 402 * 9,81 * ln (484,2 / 90) = 6634$ m / s! Leider ein Defizit für ein Drittel. Ist ein kompaktes Raumschiff unmöglich und die ursprüngliche Antwort war richtig?


Fluor-Ammoniak RD-301 flog nie, bewies aber in Tests, dass Raketentriebwerke mit Fluoroxidationsmittel möglich sind

Glücklicherweise gibt es in früheren Berechnungen eine Annahme: Die Masse des Orbiters beträgt 90 Tonnen. Aber die Werft ist weit entfernt von den 1970er Jahren. Es ist möglich, Aluminium durch Kohlefaser zu ersetzen, die Größe der Flügel zu verringern, da wir kein horizontales Manöver von 2.000 km benötigen und der Bordcomputer des Space Shuttles jetzt in Ihre Hosentasche passt, wenn nicht in eine Armbanduhr. Nachdem wir alle oben genannten Modifikationen angewendet haben, reduzieren wir die Orbitermasse um die Hälfte auf 45 Tonnen. Dies ist durchaus machbar, für diejenigen, die daran zweifeln, dass die in den 2010er Jahren entwickelte zweistufige Kerosinrakete Falcon 9FT die Hälfte der Trockenmasse pro Masseneinheit Kraftstoff aufweist als die in den 1970er Jahren entwickelte zweistufige Zenos-Kerosinrakete. Wir erzählen und bekommen $$$ΔV = 402 * 9,81 * ln (439,2 / 45) = 8982$ m / s, die wir sicher auf 9 km / s runden können. Mangel von nur 400 m / s!

Aber wie Sie wissen, wird "fast" nicht berücksichtigt. Wie bekommen wir die erforderlichen 400 m / s? Sie können sich daran erinnern, dass das Shuttle Rangiermotoren mit a.i. in 316 s. und ΔV 300 m / s, aber das ist immer noch nicht genug, und Sie müssen im Weltraum manövrieren. Aber diese 300 m / s sind für das Shuttle mit 29,5 Tonnen im Frachtraum gegeben! Ohne sie sind es nur 400 m / s - Sie können in die Umlaufbahn gehen, aber ohne Reserven für Manöver. Wir ersetzen die Manövriermotoren durch eine Mini-Version von marschierendem Fluor-Hydrazin mit dem gleichen Standard und voila, wir bekommen 500 m / s - und wir sind in die Umlaufbahn und 100 m / s zum Manövrieren gekommen.


Sag niemals nie, das ist unmöglich!

Aufgrund all dieser langwierigen Berechnungen kann man mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass aus physikalischer Sicht ein kompaktes Raumschiff in der Umlaufbahn MÖGLICH ist! Eine andere Sache ist, dass es vom Standpunkt der Entwicklung und des Betriebs des Fluor-Hydrazin-Motors ein Albtraum sein wird, ebenso wie vom Standpunkt der Ökologie, aber dies geht über den Rahmen der Frage der physikalischen Machbarkeit hinaus, die ich im Rahmen dieses Artikels demonstrieren wollte.