Rocket Equation: The Unyielding Constraint Behind Single-Stage-to-Orbit Tools

Dünya'dan kaldırılan tamamen yeniden kullanılabilir bir araç hayal, yörüngeye ulaşır ve bir parçaya iner - on yıllardır herhangi bir aşamaya gelmez - tek aşamalı-sonuç (SSTO) büyük ölçüde azaltılır, hızlı bir şekilde geri dönüş ve bu denklemin her türlü çalışması ve milyarlarca doları araştırma için gerekli olan bir geleceğe nasıl uydurduğuna dair temel sebep, SSTO aracının yörüngeye hiç ulaşamamıştır.

Roket denklemi roketlerde temel ticaretini doğrulamaktadır: hızlandırmak istediğiniz daha kütle, daha fazla pervanant ihtiyacınız olan, ancak bu pervanantın kitleyi gerektirdiğini, daha pervananlı olmayanları ve geri kalan zorlukların nerede olduğunu araştırmak.

Tsiolkovsky Rocket Equation: Tanım ve Türleme

Rus bilim adamı Konstantin Tsiolkovsky tarafından 1903 yılında, roket denklemi, hızdaki değişimle ilgilidir (345v) bir roket etkili egzoz hızına ve doğal logarithm of its mass rate.

[FONT=0) {0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|[D][/D)[D)[D)[D))[D))[D))[D)))))[D))))))[D)))

Nerede:

  • [FONT:0) {{v[DÜT:1) = Hızdaki değişim gerekli (tipik olarak ~ 9.4 km/s for Earth orbit, including kayıplar)
  • [FONT:0][DÜDÜDÜDÜ:2][DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜŞÜNÜŞÜNÜ SİAD: ÂHİRLİĞİ (Öyle)[Üye Olmayanlar (DÜye)[Üye Olmayanlar)
  • [FONT:0] ) = ilk toplam kütle (vehicle + perant + ücret yükü)
  • [FONT:0] ) = Pervanant tüketimi (vehicle kuru kütle + ücret yükü) sonrası son kitle

denklem aynı zamanda pervanant kütle kesir için de yeniden düzenlenebilir:

[FONT:0][DÜDÜDÜDÜDÜDÜ:2)[Üye: 3)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)

Bu, problemin üstel doğasını ortaya koyuyor: gerekli bir {{v elde etmek için, son kütle fraksiyonları hız artışları olarak hızla küçülüyor. 0.10v için gerekli olan 7.3v için 92 km/s (kırıklık ve aerodinamik kayıplar için) ve ortalama bir kimyasal roket egzoz hızı 4.5 km/s (Isp)[Düzücük/v) 7.6 $ s.

Neden SSTO'ya Karşı Exponential Works

Çünkü m)f, yük hacmindeki herhangi bir artış doğrudan aracın kendi başına izin verilen kuru kütlenin kitlesini azaltamaz.Basket 9 gibi tipik bir yörüngede artış, ilk aşama için 12'nin üzerinde bir miktar daha yüksek olduğunu gösterir (tüm yığınlarda büyük bir düşüş anlamına gelir).

SSTO Design için örnek: Dört Yara

roket denklemi SSTO Femabilitesini geliştirmek için dört birincil avantaj sağlar:

  1. [FONT:0) Etkili egzoz hızı (v)[[Dönetici:2))[DÜye Olmayanlar[DÜye Olmayanlar İçin Daha Yüksek Isp, verilen {{v için daha az pervanant gerekli anlamına gelir.
  2. [FONT:0)Reduce gerekli {{v[DÜT:1]: Aerodinamik asansör, Dünya rotasyonu veya diğer yörünge için gerekli olan hızı düşürmek anlamına gelir.
  3. [FONT:0)Reduce kuru kütle (m)[Dönem:2)[Dönetici:0)[Dönemli yapılar, motorlar ve sistemler para yük veya pervanant için ücretsiz toplu olarak.
  4. [FONT:0)Increase ödeme yükü kütle kesir[Dönetici: Bu, bir yaralayıcı değil; ancak kısıtlamalar dahilinde maksimum ücret yükü optimize etmek için optimize eder.

1. Propulsion Verimliliği ve Gelişmiş Motor Çevrimleri

SSTO viability'i geliştirmek için en doğrudan yol, belirli bir dürtüyü artırmaktır. Konvansiyonel kimyasal roketler hidrojen /oxygen'i 450 saniyeye kadar kullanır (I) Vakumda, v) ile ilgili olarak, mevcut malzemelerle neredeyse% 12'den fazla bir miktar imkansız olmalıdır.

Mühendisler, I) yükseltmek için birkaç yol takip ettiler:

  • [FONT:0)Tripropellant motorlar: [DFLT:1] Yüksek I ) Deniz seviyesinde ve yoğun kerosen veya daha yüksek bir pompa için metana, yüksek bir motora sahip olmak, önemli bir örnekti, [D-701 motorun]
  • [FONT:0)Expander döngüsü ve sahnelenmiş yanma: Bu döngüler genel motor verimliliğini geliştirir ve yüksek oda basıncına izin verir, biraz yükseltilir I).sp).
  • [FONT:0]Aerospike motorları:[Dönemli: 1 ) Aerospike nozulları otomatik olarak çevre basıncına genişlemeyi ayarlar, deniz seviyesinden vakuma yüksek verimlilik sağlar. X-33 programında test edilen lineer aerospike, sp] geleneksel çanlar üzerinde% 5-10 artış.
  • [FONT] Hava-breathing birleşik döngü motorları: En radikal yaklaşım, havadan oksijen almak için, gerekli pervane kütleyi dramatik bir şekilde azaltın. Rezistanlı motorlar, SABRE motoru, SSTO'yu 5'e kadar çalıştırabilecek bir roket oranıyla mümkün olabilir.

Söz konusu söze rağmen, bu motorların hiçbiri bir yörüngede uçuşa hazır değildi, ancak SABRE motoru hala 2024 olarak devam eden temel bileşenlerin zemin testiyle geliştiriliyor.TheDANFLT:0)SABRE motoru).

2. kaldıraç: Gerekli {{vü azaltın

Düşük Dünya yörüngesine ulaşmak için teorik minimum 345v, bu kayıpların 8,8 km/s (veyabital hız 200 km) ile ilgilidir, ancak gerçek kayıplar 1.5-2.0 km/s. Gravity kayıplar, aerodinamik sürüklenme ve direksiyon kayıpları önemlidir.

  • [FONT:0) Yüksek itkili ağırlık oranı asansörde:[Dönetici:0) Daha yüksek T/W, yerçekimi kayıpları azaltır, çünkü araç daha az zaman harcamaz, daha yüksek itme genellikle daha ağır motorlar anlamına gelir, bir ticaret-off.
  • [FONT:0]Trajectory optimizasyonu: [DÜDÜSTRİYE] SSTO araçları genellikle dengeleri ve yerçekimi kayıplarının düşmesi için gerekli olan bir yörüngeyi takip eder. Bazı kavramlar, yerçekimi kayıplarının azaltılması için vücut şekillerini kaldırır.TheurFLT:2.Skylon uzay uçağı).
  • [FONT:0]Launch sitesi entitude:[Dönetici:[Dönetici], Dünya'nın rotasyonundan 465 m /s hız artışı sağlar.

Tüm optimizasyonlarla bile, dikey taksi ile SSTO için gerekli {{v, 9.0 km/s'in altına düşmesi muhtemel değildir. Bu hala mükemmel bir kitle oranı gerektirir.

3.Bölüme Uygun Optimizasyon ve Yapısal Verimliliği

Çünkü roket denklemi üst düzey kütlenin cezasını genişletiyor, SSTO tasarımları aşırı hafife almalı. Bu her alt sistemi etkiler:

  • [FONT:0)Mallar: [Dönetici: 0:1] Alüminyum-lithium alaşımları, titanyum ve gelişmiş kompozitler önemlidir. Karbon fiber-reinforced polimerler,% 20-30 oranında alüminyum sıcaklıklar ve aerodinamik ısıtma ile karşılaştırıldığında kütleyi azaltırlar.
  • [FONT:0)Integral tankları: [Dönetici: [Dönetici tankları birincil yapı ile karıştırın (toplu tanklar) ayrı tank duvarları ortadan kaldırır ve kütleyi azaltır. Uzay Araçı dış tankları integral bir yapıydı, ancak her şeyi tutmalıdır.
  • [FONT=0)Mühendis kütle: [DDÜT:1] Motor itki-kürücü oranı (T/W) kritiktir. Yüksek T/W motoru, T /W motorlarının yaklaşık 40-60'ı elde ettiği itme ihtiyacını sağlar.
  • [FONT:0] ⁇ koruma sistemi (TPS): Reentry ısıtması ciddidir. SSTO araçları ya dayanıklı, hafif TPS ( Space Service'sches gibi) veya aktif olarak serinleştirilmiş bir yapı kullanmak zorundadır (Sarlon'da olduğu gibi).

Kuru kütle kesir (kurum kitle / asansör kütlesi) uygun bir SSTO için% 10'un altında olması gerekir. Karşılaştırma için, Uzay Araç yörüngesi yaklaşık% 17'nin kuru bir kütle kısmı vardı (aslında, ancak dış tank ve destekçiler hariç).

Matematiksel Hurdle: SSTO'da Kesirli Kitle Fraction

Problemi ölçmek için tipik bir SSTO hedefi düşünün: · 10 ton LEO'ya, kuru bir kütle ile 40 ton (yapı + motor + sistemler + TPS) gerekli {{v 9.2 km/s ve motor I)[tr|sp[/FONT][/TR]

[Dönem:0]0[Dönem:0)[Dönem:2|[Dönemli: 9/4)[DÜye ait olan ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Son avans ([D)[Dönemli)[[Dönemli) s.([D) {0}[D=3}) {3}|3|3|3|3|3|3|4|D=3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|4|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|4|3|3|3|3|3|3|4|3|3|3|4|3|3|4|3|3|3|4|3|3|3|4|3|3|3|3|3|3|4|4|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|4|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3|3

Eğer ben[DÜye:0)[DÜye Olmayanlar İçin 5 (H[DÜye:2)[DÜye/Çeçekler) = 4,9|2|3|4|4|3|4|4|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|2|0|0|0|0|0|0|0|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x

Tarihsel SSTO Kavramları ve Kaderleri

Birkaç hükümet ve endüstri programları SSTO'ya çalıştı:

  • [FONTA X-33 / GirişimStar (1996-2001): Ortak bir teknoloji göstericisi, Ortak tanklarla ilgili teknik sorunlar nedeniyle iptal edildi.
  • [FONT=0]McDonnell Douglas DC-X (1991-1996): ), Delta Clip (Döntgen-landing (VTVL) test aracı olarak adlandırılan bir potansiyel SSTO için operasyonel konsepti doğrulamadı.
  • [FONTRE motoru tarafından desteklenen bir hava uçağıdır.] [Reaction Engines, UK): Hala gelişimde, Skylon, SABRE motoru tarafından desteklenen bir hava düzlemidir.
  • [FONT:0]Rotary Rocket Roton (1999-2001): Bir helikopter benzeri SSTO, iniş için rotor bıçakları ile uçuşa kadar asla uçmuyor.

İptal programları arasındaki ortak iplik, roket denkleminin hata için marj bırakmadığıdır. Tahmin edilen kitle veya performansdaki küçük sapmalar bile tasarım imkansız hale getirdi.

Future: Rocket Equation Outwized olabilir mi?

Şiddetli kısıtlamalar göz önüne alındığında, bazı araştırmacılar saf SSTO'nun kimyasal roketlerle ekonomik olarak uygulanabilir olabileceğini iddia ediyorlar. Ancak, bazı gelişmekte olan teknolojiler dengeyi değiştirebilir:

  • [FONT:0) İleri Seramikler ve kompozitler: , entegre kriyojenik yalıtım ile hafif seramik matrisler ve karbon-fiber yapıları kuru kütleyi daha düşük olabilir.
  • [FONT:0)Eksitif üretim:[DDD motor bileşenlerinin 3D baskısı parçalar sayılarını ve kütleyi azaltır, yüksek T/W oranlarına izin verir.TheurFLT:2).Relativity SpaceD-printed roketleri kütleyi azaltmak ve maliyeti azaltmak için kullanır.
  • [FONT:0]Nuclear termal propulsion:[Dönetici: 1) Teklifler I) 900-1000 ikinci aralığında, SSTO'yu basit hale getirecek olan, ancak siyasi ve güvenlik engelleri büyük olacaktır.
  • [FONT:0) Hava-Başlangıç:[Dönetici] SSTO'yu büyük bir uçak altında taşımayı başaran {{v'i yüksek ve hıza kadar azaltmalıdır, ancak tüm sistem hala son aşama için roket denklemine uymalıdır.
  • [FONT:0]In-space refueling:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir SSTO yörüngede depoya, yeniden yakıta ve sonra devam edebilir. Bu, yörünge görevinden gelen en yüksek pervanantajlı, ancak ilk aşamaya ulaşmak için yeterli rezerve etmek zorunda kalır.

Sonuç: Go Away'e Gitmeyen Equation

Tsiolkovsky roket denklemi, tüm tepki tahrik sistemlerini yöneten bir gerçek yasadır. SSTO araçlar için henüz mevcut teknoloji ile geçilmeyen bir performans sınırı oluşturur.Gelecek SSTO araçlarından her türlü kazanç elde etmek için denklemleri, yapılar ve operasyonlar. SABRE gibi bir yol daha olumlu bir kitle oranına sahip olsa da, teknik zorluklar büyük kalır.

Daha fazla okuma için, bkz.Üye:0)Tsiolkovsky roket denklemi[*: 1) Wikipedia'da ve ).NASA gerçek sayfası X-33).