现有技术的可完全重用的航空航天系统

科罗廖夫和加加林时代的“航天”一词意味着巨大的太空港和一次性火箭。 好吧,并非总是一次性的-甚至每次您需要携带Elon Mask的可重复使用火箭载物台,在特殊的车间组装,在特殊的发射台上安装,加油,检查-才可以运行。 航空航天是一种非常昂贵的娱乐,而且即使在现在,对太空资源的大规模工业开发在不久的将来仍是模糊的前景也就不足为奇了。

有什么可以替代导弹的? 可重复使用的航空航天系统。 这个想法并不新鲜:在An-225 Mriya飞机问世之后,许多航空航天系统就是以此为基础进行设计的,这可以从参与其创建的Anatoly Vovnyanko回忆录中学到。 其中最有趣的是MAKS-M:
图片

此选项的最重要优点是完全可重用。 这架飞机是第一阶段。 这消除了对特殊太空港的需求-它可以是可以乘坐An-225的任何机场。 飞机本身可以在整个生命周期内执行数万次航天器发射。

设计用于An-225的航天器的重量可达275吨。 根据初步计算 ,完全可重复使用的版本可将纬度为51°的5.5吨至赤道的7吨带入低地球轨道。 如果装载不完全,您可以在发射机场附近发射一架太空飞机(例如,在乌克兰领土或黑海上空),如果您需要将7吨重的卫星送入轨道,则飞机可以飞往赤道并在那里发射。

飞机与航天器的分离发生在10 km的高度和236 m / s(850 km / h)的速度下。 为了平稳地分离位于飞机后部的重型航天飞机,您需要创建一个小的负过载。 飞机为此做出了类似“滑动”的动作:


在其上,太空飞机是分开的。 此后,飞机返回飞机场,并且具有初始速度的太空飞机开始水平加速。 它是水平的:太空飞机具有空气动力学特性,并且大气层中的水平速度越高,升力就越大。 另外,为了进入轨道,有必要发展出8 km / s的水平速度。 速度的动能:

$ E = mv ^ 2/2 $


但是在10公里的高度,您无法进入轨道:大气层正在挡住。 为了获得稳定的低轨道,您需要延伸200公里。 高度的势能(忽略g随高度的梯度,因为仅估计阶数对我们很重要):

$ E =百万美元


让我们评估水平加速度与垂直上升能量之比:

$(mv ^ 2/2)/(mgh)$


$ v ^ 2 /(2gh)$


如果用这些数字代替,我们得出的结论是,爬升200 km的能量大约比爬升8 km / s的水平速度少16倍。 因此,最重要的是水平加速度,其中空气动力学将完成大部分举升工作。

图片

在太空飞机上,您可以放置​​由火箭工业制造的通常使用的,历史悠久的和生产的氧气-煤油火箭发动机。 同时,发动机推力比传统的垂直起飞火箭要小得多:不需要直接克服重力,航天飞机具有空气动力学特性,并由空中升力支撑。 同样,水平速度越大(您已经需要拾取),大气层越强,它将把航天飞机推入太空。

进入太空后,太空飞机将装有货物的集装箱送入轨道。 此外,在外层空间中,最好用核反应堆核反应堆的拖船中拖运货物。 推力为1-2牛顿,仅适用于零重力和太空真空中的加速度,它们提供了非常高的比冲。 如果化学发动机的喷射速度高达5 km / s,则电反应性加速器可以将离子加速至300 km / s ,即效率提高60倍。 但是,在太空中做什么本身是另一篇文章的主题,而不是一篇。

图片

完成任务后,太空飞机离开轨道并返回大气层。 它已经是空的并且相对较轻,但是仍然具有空气动力学的质量。 这意味着从轨道下降的速度将比传统下降飞行器的弹道下降平稳得多。 在这种情况下,航天飞机应具有特殊的形状,以使下降比滑梭和暴风雪更为平稳。 这将减少(如果不能消除的话)对热保护以及相关耗材和维护的需求。

一架太空飞机可以降落在机场,这将是它的下一次飞行进入太空。 在那里进行货物的维护和装载。 之后,将一架空吊机(重达100吨以内)用自动起重机装载到An-225的背面,为飞机加油-并进行新的飞行。 从理论上讲,一架An-225可以每4-6小时或更频繁地在太空飞机上发射一次。 也就是说,每天每轨道20-30吨,如此每天。 当航天飞机每隔几个小时开始稳定地进入轨道时,人们已经可以放心地谈论工业空间探索。

只有完全取消了一次性部件,例如助力器或外部燃油箱,这样的启动频率和这种密集的工作模式才有可能。 理想情况下,还必须尽量减少消耗品,以便每次仅消耗煤油和液氧。 所描述的航空航天系统使用与传统航空相同的机场,甚至使用相同的煤油。 任何能够接收An-225的机场都可以轻松成为太空港。 与传统航空有所不同,但它们非常适合机场基础设施的框架:使用卡车起重机在An-225上装载太空计划,为液氧加油并在机场机库中维护太空计划,这又不应比飞机复杂得多。

图片

An-225飞机在飞行中已经存在了30年。 此外,还有一个未完成的实例可以根据航空航天计划的需要专门完成。 目前尚没有现成的太空计划-这甚至很好,因为它将允许您从头开始设计一种新设计,该新设计尽可能优化以用于航空母舰的空中发射和密集运行,而消耗品和维护最少。 此类航空航天计划所需的大多数组件都可以在乌克兰生产。

除了太空飞行,还有另一个同样诱人的前景:亚轨道航空公司。 在轨道发射中对该技术进行测试之后,将有可能将其应用于超高速客运和邮件运输。 沿着亚轨道飞行到世界任何地方的太空飞机飞行将不超过一个小时。 您想在零重力的小时内从欧洲飞往南美或澳大利亚吗?

图片

在第1部分,太空飞机在其引擎上加速到足以进入亚轨道的速度。 在第2部分,它以零重力的状态飞过太空,乘客感到。 在第3部分,发生空气阻力,然后在目标机场降落。

与An-225兼容的航天器在亚轨道飞行期间最多可容纳60位乘客。 如果同时能够简化航空系统的``飞机''操作,则机票的价格将比传统飞机略高:在15小时内,An-225可以取代通常的载人长途飞行,而能够成功发射几架亚轨道太空飞机,载运相应数量的乘客。 唯一的问题是预启动操作的速度,该速度可以逐渐提高(当然,这不会损害安全性)。 目的地应该有另一架An-225,在回程中发射太空飞机。

这样的系统将很容易在世界上的任何机场部署和折叠:在An-225本身上就足以引入用于装载太空飞机的卡车起重机和用于液化氧气的便携式设备,该设备用于填充太空飞机。 不需要昂贵,复杂且长期的固定基础设施建设(如常规导弹的太空港)。

完全可重复使用的航空航天系统不仅可以开启工业空间探索的时代,而且还可以在一个小时内飞到地球上最远​​的地方。

UPD:在评论中提到了带有外部燃油箱的MAX的部分可重用版本。 根据计算,带有外部水箱的系统将在赤道输出19.5吨,并且完全可重复使用-7吨。 那又怎样 在使用外部储罐进行系统的更复杂的发射前准备过程中,您可以花时间准备并发射可重复使用的航天器3次或更多次。 顺便说一句,它有一个更大的货舱,也就是说,可以显示更多的超大货物。

还讨论了亚音速运载机将提供非常小的初始速度。 将机翼带入太空的方法是减少有用的质量,但是所描述的系统的关键优势不在空间飞机的初始速度上,而在输出质量上。 关键优势几乎飞机的简化和发射准备的速度,从而将必要设备的复杂性降至最低 。 同样,代替一次性启动一次或部分可重用的介质,可以执行可重用系统的几次启动。 通过将每次启动的成本降到最低,它会更有利可图。

UPD2:液化甲烷可能比煤油更适合用于航天飞机。 液态甲烷和氧气的低温几乎相同,因此只会使系统稍微复杂化。 最好通过铁路运输燃料,将铁路直接铺设到机场的加油站。

UPD3:评论涉及维修航天飞机的复杂性,并以航天飞机为例说明了减少这种飞机的可能性。 但是,航天飞机的初始重量为2030吨,而它有一个一次性的外部油箱和有条件的可重复使用的助推器,仍然需要将其捕获在海洋中,并进行加油。 装有Shuttle的系统需要在特殊的车间进行组装,并带有出口的发射台。 所描述的系统的组装归结为用起重机将太空飞机装载到An-225的背面。

至于维修航天飞机本身的困难,主要问题是推力为541吨的发动机。 在质量为275吨的水平空间发射计划中,其推力可以大大减小。 也许甚至比航天飞机的质量还小,因为提升力可以克服重力。 推力较小-振动较小-两次飞行之间的航天器维护更容易。

UPD4:必须用卡车吊车将飞机上的太空飞机淹没。

空的飞机重量不到100吨-这种重量甚至连串行起重机也可用。 航天器本身的回旋陀螺 (旨在绕其轴线在轨道上旋转)可以在上升过程中帮助稳定和旋转航天飞机。
在An-225外部支架的背面,应该有一个用于安装航天器的特殊适配器。 其中-航天器底盘的“车辙”。 当汽车起重机浸没并释放空间计划时,底盘将完全处于正确的位置,然后再固定其他紧固件。 最终固定后,将进行加油和起飞。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN465721/


All Articles