Puis-je sauter dans mon vaisseau spatial et quitter la Terre?

Après l'avènement des lanceurs réutilisables, l'espace devient beaucoup plus accessible. Mais le rêve principal des passionnés est toujours irréalisable. Avez-vous déjà voulu avoir votre propre vaisseau spatial stationné sur la pelouse de votre maison? Pour que, selon l'ordre du talon du pied gauche, il soit possible de voler en orbite, d'étirer les muscles en apesanteur, d'admirer les vues de l'espace et de la Terre, peut-être même de visiter un hôtel de bordel cosmique - en général, faire quelque chose qui suffit à l'imagination. Et lorsque vous êtes fatigué, descendez de l'orbite et atterrissez quelque part à proximité, sans oublier de mettre le navire en alarme. Est-ce possible? Une personne ayant au moins un peu de compréhension du sujet trouve immédiatement la réponse NON, mais ne tirons pas de conclusions hâtives et essayons de le comprendre.

Vous devez d'abord connaître la vitesse caractéristique (ci-après ΔV) nécessaire au vaisseau spatial pour entrer sur l'orbite terrestre. Simplifiez immédiatement notre tâche et supposons que nous vivons en Floride et volons strictement dans la direction orientale sur une orbite circulaire de 200x200 km de haut. Le ΔV requis sera alors de 9,4 km / s. Ce chiffre comprend à la fois l'ensemble de la vitesse orbitale nécessaire de 7,8 km / s et le dépassement de l'aérodynamique, de la gravité, du contrôle et, ce qui sera particulièrement pratique pour les calculs ultérieurs, des pertes de contre-pression (les moteurs-fusées au niveau de la mer fonctionnent moins efficacement). que dans le vide).

Quels moteurs installer sur notre vaisseau spatial? Considérez le seul moyen de lancement en orbite qui a été maîtrisé à l'heure actuelle - les moteurs-fusées chimiques. Partant du sol, le moteur hydrogène-oxygène RS-68A a une impulsion spécifique sous vide (ci-après simplement désignée par I.I.) en 409 secondes. Mais la pression dans la chambre de combustion est loin d'être record. Élever à 200 atm. et surtout, il est tout à fait possible d’obtenir 430 s (RS-25 et RD-0120 ont une force prédictive de 453 à 455 s., Mais ils sont plus aiguisés plus probablement sous vide et ils auront plus de pertes pour la contre-pression). Selon la formule de Tsiolkovsky $$$V = 430 * 9,81 * ln (M1 / M2)$ il s'avère qu'une fusée à un étage avec un tel moteur doit avoir un rapport de masse de 10 à 1 pour entrer en orbite, c'est-à-dire pour chaque 1 kg de poids sec du navire, cargaison comprise, 9 kg de carburant hydrogène-oxygène doivent être comptabilisés. Difficile, mais pas impossible, compte tenu des progrès récents des réservoirs composites pour combustibles cryogéniques. Mais il y a un petit problème. La densité de la paire carburant hydrogène-oxygène est très faible - seulement 0,3155 g / cm ³ . Dans cette situation, la taille du vaisseau spatial sera énorme, vous ne pouvez pas le garer dans l'arrière-cour de la maison. Mais quelle taille sera optimale?


Le projet de vaisseau spatial à un étage ventureStar annulé était censé mettre 20 tonnes en orbite basse, près d'un tiers de moins que la navette, avec des dimensions comparables

Pour simplifier tous les calculs ultérieurs, imaginons que le vaisseau spatial devrait être de la taille de l'orbiteur de la navette spatiale. Oui, l'orbiteur est un peu gros pour le transport personnel et peut transporter 7 à 8 personnes, pas une seule personne, mais en compagnie d'amis et de parents, voler dans l'espace est beaucoup plus amusant, et les tailles sont assez standard pour les avions d'affaires. Comme nous n'avons pas besoin de transporter la cargaison, seul l'équipage, nous remplirons tout son compartiment à bagages d'un volume de 300 m ³ de carburant pour fusée et verrons s'il peut entrer en orbite.


Sur cette image, vous pouvez bien estimer la taille de l'orbiteur - grande, mais pas énorme

La masse de l'orbiteur sans charge, mais avec du carburant pour les moteurs de manœuvre, est d'environ 90 tonnes. Lorsqu'il est rempli de vapeur d'hydrogène et d'oxygène, il laisse 94,65 tonnes de carburant à bord. Quand u.i. en 430 s. on obtient par la formule $$ m / s Pour entrer en orbite, il vous en faut plus de 3 fois plus! Pouvons-nous essayer un carburant plus dense? Une paire de kérosène-oxygène à une densité de 1,036 g / cm ³ et U. 337 p. (comme dans la famille RD-170/180/190) donnera $$$ΔV = 337 * 9,81 * ln$$$ m / s, une paire d'UDMH-AT à une densité de 1,185 g / cm ³ et U. 318 p. (comme RD-264) donnera $$ m / s La pénurie de ΔV est encore presque le double!

Mais y a-t-il de la vapeur de carburant avec une densité beaucoup plus élevée et une meilleure interface utilisateur? Oui, et cela s'appelle du fluor hydrazine - une densité de 1,344 g / cm ³ à c.u. autant que 402 s! Remplissez son orbite de navette et obtenez $$$ΔV = 402 * 9,81 * ln (484,2 / 90) = 6634$ m / s! Hélas, tout de même un déficit pour un tiers. Un vaisseau spatial orbital compact est-il donc impossible et la réponse originale était correcte?


Le fluor-ammoniac RD-301 n'a jamais volé, mais a prouvé lors de tests que des moteurs-fusées avec oxydant au fluor sont possibles

Heureusement, dans les calculs précédents, il y a une hypothèse - la masse de l'orbiteur est de 90 tonnes. Mais le chantier est loin des années 1970, il est possible de remplacer l'aluminium par de la fibre de carbone, de réduire la taille des ailes, puisque nous n'avons pas besoin d'une manœuvre horizontale de 2000 km, et l'ordinateur de bord de la navette spatiale peut désormais tenir dans la poche de votre pantalon, sinon dans une montre-bracelet. Après avoir appliqué toutes les modifications ci-dessus, nous réduisons la masse de l'orbiteur de moitié, à 45 tonnes. C'est tout à fait faisable, pour ceux qui doutent qu'il convient de rappeler que la fusée à kérosène à deux étages Falcon 9FT, conçue dans les années 2010, a la moitié de la masse sèche par unité de masse de carburant que la fusée à kérosène à deux étages Zenith conçue dans les années 1970. Nous racontons et obtenons $$$ΔV = 402 * 9,81 * ln (439,2 / 45) = 8982$ m / s, que nous pouvons arrondir en toute sécurité à 9 km / s. Pénurie de seulement 400 m / s!

Mais comme vous le savez, "presque" n'est pas pris en compte. Comment obtenir les 400 m / s requis? Vous vous souvenez que la navette a des moteurs de manœuvre avec a.i. en 316 s. et ΔV 300 m / s, mais ce n'est pas encore suffisant, et vous devez manœuvrer dans l'espace. Mais ces 300 m / s sont donnés pour la navette avec 29,5 tonnes dans le coffre! Sans eux, il n'y aura que 400 m / s - vous pouvez entrer en orbite, mais sans réserve de manœuvre. Nous remplaçons les moteurs de manœuvre par une mini version de marche fluor-hydrazine avec le même standard et, voila, nous obtenons 500 m / s - et nous sommes entrés en orbite et 100 m / s pour manœuvrer.


Ne dites jamais jamais, c'est impossible!

À la suite de tous ces longs calculs, on peut presque certainement dire que, du point de vue de la physique, un engin spatial en orbite compact est POSSIBLE! Une autre chose est que du point de vue du développement et du fonctionnement du moteur fluor-hydrazine ce sera un cauchemar, ainsi que du point de vue de l'écologie, mais cela dépasse le cadre de la question de la faisabilité physique, que je voulais démontrer dans le cadre de cet article.