Bisakah saya melompat ke pesawat ruang angkasa dan meninggalkan Bumi?

Setelah munculnya kendaraan peluncuran yang dapat digunakan kembali, ruang menjadi lebih mudah diakses. Namun impian utama para peminat masih belum terealisasi. Pernahkah Anda ingin memiliki pesawat ruang angkasa Anda sendiri yang diparkir di halaman rumah Anda? Sehingga, sesuai dengan urutan tumit kaki kiri, adalah mungkin untuk terbang ke orbit, meregangkan otot dalam gravitasi nol, mengagumi pemandangan ruang dan Bumi, bahkan mungkin mengunjungi beberapa hotel bordil kosmik - secara umum, melakukan sesuatu yang cukup untuk imajinasi. Dan ketika lelah, turunlah dari orbit dan mendaratlah di suatu tempat di dekatnya, tidak lupa untuk memasang alarm. Apakah ini mungkin? Seseorang dengan setidaknya sedikit pemahaman tentang topik segera muncul dengan jawaban TIDAK, tetapi jangan terburu-buru menarik kesimpulan dan mencoba mencari tahu.

Pertama, Anda perlu mengetahui kecepatan karakteristik (selanjutnya V) yang dibutuhkan oleh pesawat ruang angkasa untuk memasuki orbit Bumi. Segera sederhanakan tugas kami dan asumsikan bahwa kami tinggal di Florida dan terbang dengan ketat ke arah timur ke orbit melingkar setinggi 200x200 km. Maka ΔV yang dibutuhkan akan menjadi 9,4 km / s. Angka ini mencakup kecepatan orbit 7,8 km / s yang diperlukan dan mengatasi kerugian aerodinamika dan gravitasi, kehilangan kontrol dan, yang akan lebih nyaman untuk perhitungan lebih lanjut, kehilangan tekanan balik (mesin roket di permukaan laut bekerja kurang efisien daripada di ruang hampa).

Mesin apa yang harus dipasang di pesawat ruang angkasa kami? Pertimbangkan satu-satunya cara peluncuran ke orbit yang telah dikuasai saat ini - mesin roket kimia. Mulai dari tanah, mesin hidrogen-oksigen RS-68A memiliki impuls khusus dalam ruang hampa (selanjutnya disebut sebagai I.I.) dalam 409 detik. Namun tekanan di ruang bakar jauh dari rekor. Meningkatkannya menjadi 200 atm. dan lebih tinggi, sangat mungkin untuk mendapatkan u.i. 430 s (RS-25 dan RD-0120 memiliki kekuatan prediksi 453-455 s., Tetapi mereka dipertajam lebih mungkin di bawah vakum dan mereka akan memiliki lebih banyak kerugian untuk tekanan balik). Menurut rumus Tsiolkovsky $$$V = 430 * 9,81 * ln (M1 / M2)$ ternyata roket satu tahap dengan mesin seperti itu harus memiliki rasio massa 10 banding 1 untuk memasuki orbit, mis. untuk setiap 1 kg berat kering kapal, termasuk kargo, 9 kg bahan bakar hidrogen-oksigen harus diperhitungkan. Sulit, tetapi bukan tidak mungkin, mengingat kemajuan terbaru dalam tangki komposit untuk bahan bakar kriogenik. Tapi ada satu masalah kecil. Kepadatan pasangan bahan bakar hidrogen-oksigen sangat rendah - hanya 0,3155 g / cm ³ . Dalam situasi ini, ukuran pesawat ruang angkasa akan sangat besar, Anda tidak dapat memarkirnya di halaman belakang rumah. Tetapi ukuran apa yang akan optimal?


Proyek pesawat ruang angkasa single-stage ventureStar yang dibatalkan seharusnya menempatkan 20 ton ke orbit rendah, hampir sepertiga kurang dari pesawat ulang-alik, dengan dimensi yang sebanding

Untuk menyederhanakan semua perhitungan lebih lanjut, mari kita bayangkan bahwa pesawat ruang angkasa harus dalam ukuran pengorbit pesawat ulang-alik. Ya, pengorbitnya agak besar untuk transportasi pribadi dan dapat membawa 7-8, bukan satu orang, tetapi di perusahaan teman dan kerabat yang terbang di luar angkasa jauh lebih menyenangkan, dan ukurannya cukup standar untuk jet bisnis. Karena kami tidak perlu mengangkut kargo, hanya kru, kami akan mengisi seluruh kompartemen kargonya dengan volume 300 m ³ dengan bahan bakar roket dan melihat apakah ia dapat memasuki orbit.


Dalam gambar ini, Anda dapat memperkirakan ukuran pengorbit - besar, tetapi tidak besar

Massa pengorbit tanpa beban, tetapi dengan bahan bakar untuk mesin shunting, adalah sekitar 90 ton. Ketika diisi dengan uap hidrogen-oksigen menyisakan 94,65 ton bahan bakar. Kapan u dalam 430 s. kita dapatkan dengan formula $$$ΔV = 430 * 9,81 * ln (184,65 / 90) = $ 303$ m / s Untuk memasuki orbit, Anda membutuhkan lebih dari 3 kali lebih banyak! Bisakah kita mencoba bahan bakar yang lebih padat? Sepasang oksigen-minyak tanah dengan kerapatan 1,036 g / cm ³ dan U. 337 hal. (seperti dalam keluarga RD-170/180/190) akan memberi $$$ΔV = 337 * 9,81 * ln$$$$(400.8 / 90) = $ 493$ m / s, sepasang UDMH-AT dengan kepadatan 1,185 g / cm ³ dan U. 318 hal. (seperti RD-264) akan memberi $$$ΔV = 318 * 9.81 * ln (445.5 / 90) = $ 498$ m / s Kekurangan ΔV masih hampir dua kali lipat!

Tapi apakah ada uap bahan bakar dengan kepadatan lebih tinggi dan UI yang lebih baik? Ya, dan itu disebut fluorine hydrazine - kepadatan 1,344 g / cm ³ pada c.u. sebanyak 402 s! Isi orbitnya dan dapatkan $$$ΔV = 402 * 9.81 * ln (484.2 / 90) = 6634$ m / s! Sayangnya, semuanya merupakan kekurangan untuk sepertiga. Jadi, apakah pesawat ruang angkasa orbit yang kompak tidak mungkin dan jawaban aslinya benar?


Fluorine-ammonia RD-301 tidak pernah terbang, tetapi terbukti dalam tes bahwa mesin roket dengan pengoksidasi fluor adalah mungkin

Untungnya, dalam perhitungan sebelumnya ada satu asumsi - massa pengorbit adalah 90 ton. Tetapi halaman jauh dari tahun 1970-an, adalah mungkin untuk mengganti aluminium dengan serat karbon, mengurangi ukuran sayap, karena kita tidak memerlukan manuver horizontal 2.000 km, dan komputer on-board Space Shuttle sekarang dapat masuk ke saku celana Anda, jika tidak di arloji. Setelah menerapkan semua modifikasi di atas, kami mengurangi massa orbiter hingga setengahnya menjadi 45 ton. Ini cukup layak, bagi mereka yang meragukan perlu diingat bahwa roket dua tahap minyak tanah Falcon 9FT, yang dirancang pada tahun 2010, memiliki setengah massa kering per unit massa bahan bakar daripada roket minyak tanah dua tahap Zenith yang dirancang pada tahun 1970-an. Kami menceritakan dan mendapatkan $$$ΔV = 402 * 9.81 * ln (439.2 / 45) = 8982$ m / s, yang bisa kita amankan hingga 9 km / s. Kekurangan hanya 400 m / s!

Tapi seperti yang Anda tahu, "hampir" tidak dianggap. Bagaimana kita mendapatkan 400 m / s yang dibutuhkan? Anda dapat mengingat bahwa pesawat ulang-alik memiliki mesin shunting dengan a.i. dalam 316 s. dan 300V 300 m / s, tetapi ini masih belum cukup, dan Anda perlu bermanuver di luar angkasa. Tapi 300 m / s ini diberikan untuk pesawat ulang-alik dengan 29,5 ton di kompartemen kargo! Tanpa mereka, hanya akan ada 400 m / s - Anda dapat pergi ke orbit, tetapi tanpa cadangan untuk manuver. Kami mengganti mesin manuver dengan versi mini marching fluorine-hydrazine dengan standar yang sama dan, voila, kami mendapat 500 m / s - dan kami memasuki orbit dan 100 m / s untuk bermanuver.


Jangan pernah berkata tidak pernah, ini tidak mungkin!

Sebagai hasil dari semua perhitungan yang panjang ini, hampir dapat dipastikan bahwa, dari sudut pandang fisika, sebuah pesawat ruang angkasa yang mengorbit yang kompak adalah MUNGKIN! Hal lain adalah bahwa dari sudut pandang pengembangan dan pengoperasian mesin fluorine-hydrazine itu akan menjadi mimpi buruk, serta dari sudut pandang ekologi, tetapi ini melampaui ruang lingkup masalah kelayakan fisik, yang ingin saya tunjukkan dalam kerangka artikel ini.