Тяни или Толкай

[bob]

Запуск ракеты с дирижабля - это всего двадцать-тридцать километров выигрыша в высоте и двести процентов проигрыша в сложности технологических наворотов.

[ing]

Добрый вечер.
Разговор ушел на тему "на чём мы полетим к звёздам? ".
Пусть так, свое отношение к переднеракетному приводу я уже обозначил.
Для вас bob замечу, на преодоление первых 20 км уходит почти вся первая ступень. Что касается собсвенно конструкции, такое сооружение вролне реально. Учитывая, что площадь в конструкции растет как квадрат размера, а грузоподъемность (объем) как куб, архитектура такого летающего острова может быть выполнена из металла, и это будет атмосферная долговременная станция. Вопросом будет управлять такой махиной. Для справки: полезная нагрузка аппаратов графа Цеппелина была порядка 100тонн. ing

[GrandMagic]

Ответ bob-у
Если считать, что официальная граница с космосом 70 км, то 30 км это 21% высоты. Приблизительно и топлива будет экономия в 20%. Кстати, выйгрыш может и немного больше за свет того, что сила тяжести ослабевает с ростом высоты.
Теперь если мы экономим, грубо 20%, а стоимость груза была 20000$ за кг., то станет: 16000$ за кг.  
Т.е. с 1 тонны полезной нагрузки экономия до 4 000 000$

А с развитеем технологии в данном направлении может и больше.

[GrandMagic]

Потом, не обязательно строить целый космодром.
Достаточно, сделать некий гибрид.
Взлет как у метозонда (соответственно высота порядка 40км) далее отстрел зонда и полет ракеты. При такой схеме затраты будут не очень большими, а эффективность повысится за счет большой высоты, которая недоступна самолетам. Оболочку зонда при хорошем развитии технологии можно сделать многоразовой.

[Guliver]

С трудом понимаю, зачем тянущий шар должен быть обязательно огромного размера.
Причина слабого понимания в попытке найти аналогию с упоминавшимся здесь железнодорожным составом - тепловозик малюсенький и тянет за собой 100-120 себе подобных? Да и двигатель на тепловозе из простеньких дизелей, даже без реактивной тяги, если не ошибаюсь?
Может принцип сцепления груза в сочетании с переднеприводностью прячет в себе дополнительные резервы? Как считаете?

[anovikov]

Господи ты боже, какой до ужаса дремучий расчет 8-(

20 км высоты - это достаточно много. Конечно, это не "почти вся первая ступень" и не "20/70 км". Да, первая ступень обычных носителей заканчивает работу на высоте 25-40 км, но она при это имеет уже очень высокую скорость - не менее 1.5-2 км-сек, а дирижабль будет висеть неподвижно.

Выигрыш тут состоит не в высоте.

На набор высоты, хоть до 200 км, уходит очень незначительная часть импульса ракеты - например, для взлета на 200 км без учета атмосферы (если лететь вертикально вверх) нужно всего 2 км/с характеристической скорости из 9 км/с ее запаса у любой космической ракеты, а учитывая, что взлет производится по некой специально (довольно просто) рассчитанной наклонной траектории, угол наклона которой к горазонту постепенно падает, а не по принципу "взлетели на 200 км, а теперь разгоняемся", то на это уходит всего несколько сот метров в секунду характеристической скорости. Так что сама по себе разница в 20 км ничего не меняет - разница в высоте орбиты в 20 км - это всего 20 метров в секунду скорости.

Дело в том, что во-первых, высотный пуск позволяет избавиться почти от всего сопротивления атмосферы, которое съедает довольно много. Кроме того, учитывая что выше атмосферы уже совсем мало, можно использовать более мощные двигатели->большие перегрузки, потому что развитие большой скорости на раннем этапе полета не приведет к слишком большому сопротивлению воздуха, как при пуске с земли, а это позволит уменьшить потери на земное притяжение (хотя это достаточно примитивное объяснение, но надеюсь смысль понятен - чтобы аппарат в процессе разгона в горзонтальной плоскости не падал в вертикальнй плоскости, а поднимался, вектор тяги должен быть направлен под углом к горизонту, тогда полезная для разгона составляющая тяги будет пропорциональна косинусу угла наклона, а чем больше ускорение, тем меньше этот угол можно сделать).

Кроме того, большая высота пуска позволит применять вакуумные ЖРД, или оптимизированные под большую высоту, а их удельный импульс выше и в целом режим их работы почти все время будет оптимальным.

Моя оценка (хотя надо считать) - пуск с 20-км высоты сэкономит примерно 0.8 км/с характеристической скорости, т.е. всего понадобится примерно 8.3 км/с.

[anovikov]

Да, такое маленькое снижение - казалось бы, всего на 8-9%, на самом деле означает уменьшение массы носителя процентов на 30-35. Т.е. это существенно и из-за этого стоит городить огород.

[Guliver]

Выигрыш тут состоит не в высоте.
...
Моя оценка (хотя надо считать) - пуск с 20-км высоты сэкономит примерно 0.8 км/с характеристической скорости, т.е. всего понадобится примерно 8.3 км/с.

Хорошо бы хоть простенькую схемку...?

[anovikov]

В смысле, распальцовку сил? Лень рисовать... Ну прикинь, удельный импульс движка у земли - 300 сек, в вакууме - 350. Считаем, что первые 20 км ракета движется равноускоренно, скажем с ускорением 1g (тяга в два раза больше массы, вектор почти вертикален). Значит, 20 км наберет примерно за 60 секунд. 2*9,8*60*50/300=196 м/с, это экономия из-за увеличения удельного импульса, т.к. двигатель не будет работать в режиме недорасширения у земли. Еще несколько десятков м/с на высоту. Чтобы посчитать, сколько наэкономим на сопротивлении атмосферы - это нужно таблицу в экселе делать, навскидку от 100 до 200 м/с в зависимости от размера ракеты (т.е. от поперечной плотности и аэродинамики). Остальное - за счет возможности после старта использовать высокую тягу и большое ускорение. Т.к. как справедливо сказал Анатолий, направление полета всегда наклонно  поверхности земли и криволинейно, в уме такую штуковину ну никак не посчитаешь, я когда-то баловался в excel, считал, но точно не помню результат - несколько сот м/с можно сэкономить. Может, 300-400.

[anovikov]

>С трудом понимаю, зачем тянущий шар должен быть
>обязательно огромного размера.

Дык потому что ракета чего-то весит. Скажем вес того же Союза 305 тонн, снизив за счет шара тонн на 80 (скажем оставив две боковухи вместо 4, заменив двигатели на вакуумные в боковухах). Я не знаю точно, насколько эта конкретная сборка полетит, но к примеру. Получаем 225 тонн веса, на такой высоте это 2250000 кубометров воздуха, значит даже при очень легкое оболочке получим неободимый объем шара как минимум 3 миллиона кубометров - это диаметр 150 метров!

[GrandMagic]

В итоге
Плюсы полета гибрида ракета-шар:
1. Большая разряженность атмосферы на высоте более 20км.
2. Уменьшение силы тяжести с высотой. (правда очень небольшое в интервале от 20-до 70км)
3. Возможность задания небольшой начальной скорости (наверно можно принебреч начальной скоростью )
4. Устойчивость погдных условий на больших высотах.
5. Независимость от места пуска
6. Использование врашения земли (запуск близко к экватору или на экваторе)
7. Простота обслуживания всей системы в целом.
8. Экономия на инфраструктуре (не надо городить целый космодром и еще целый поселок для обслуж. персонала)

Экономия наверно будет приближаться не менее чем к 50%

Минусы.
1. Создание досточно больших систем шар (метео-зонд) -ракета.
2.

[Stepa]

Идея интересная, но плотность воздуха ~exp(-kh), а с ней и подъемная сила. . Пусть мы заполним невесомым газом невесомую конструкцию.
Тогда на каждый килограмм груза (чтобы его поднять), для высоты H=20 км, имеем m*g = rho * g * V ; V = m/rho , где rho - плотность воздуха

rho(20 км)=1кг /(0.088е-3 кг/м**3) ~ 10000 м**3

Для 10 км rho(10 км)=0,412e-3 кг/м**3 и V~2500 м**3.

Дороже 20.000 $ / кг.

[Guliver]

Я примитивно думал о том, может ли сыграть какую-то роль инерционность массы поднимаемого груза (стартует 1 тонна, набирает инерцию движения, цепляет ещё 1 тонна, ..., 2 тонны с набранной инерцией могут ли подтянуть за собой сразу 2 тонны без увеличения тяги)?

А по поводу "распальцовки", именно схему рассположения векторов сил на разных этапах подъема?

[GrandMagic]

... Не все потерено....

Вот несколько ссылок по поводу "космических" воздушных шаров.

Воздушный шар поднялся на высоту 49 километров
http://www.pereplet.ru/nauka/7039.html#7039

Двое экстремалов полетят в космос на воздушном шаре
http://www.membrana.ru/articles/technic/2001/11/23/112100.html

Революция в исследовании космоса – воздушный шар в форме тыквы
http://www.tri.md/newsarchive/g_gear010020.html


Мне больше всего понравилась первая ссылка там на высоту в 49 км подняли аж 690 кг.  Соответственно на высоту в 20 км при шаре в два раза большем можно будет запросто поднять уже и тонны 2-3. А это уже небольшая ракета. (А если еще ее заправить только водородом, кислород будет браться из атмосферы, то совсем хорошо)

[Stepa]

Я ляпнул немного, аж на 3 порядка сразу

Конечно, 1 м**3 приземного воздуха весит  не 1 г , а ~ 1 кг. Тогда все объемы уменьшаются в 1000 раз.

V(H=20 км)~ 10 м**3 / кг без учета оболочки и веса газа.

P.S. Иду по улице, и думаю - как эти ребята в стратосфере летали шарик то тонну был, а 1е6 м**3 не шутка . Вот и вспомнил.

Тогда это вполне возможно, надо только с прочностью разобраться.

[GrandMagic]

Ну, так то.  

А то, я как посчитал сколько надо на 100-200 тон  - куб метров шара и ужаснулся. У меня в калькуляторе столько разрядов нету.

Вообщем я вижу, что идея в принципе реализована быть может!

[noir]

То-то и оно, "в принципе"...

Вот вам еще задачка: а как етот шар поднимать и опускать? Стратостаты на высоте здорово раздуваются, не очень представляю, как это можно реализовать для шара-космодрома...

[anovikov]

>2. Уменьшение силы тяжести с высотой. (правда очень
>небольшое в интервале от 20-до 70км)

Это просто ничтожное увеличение. На высоте 20 км сила тяжести на 0,6%, на 70 км- на 2% ниже, чем у земли. Это можно даже в расчет не принимать.

[GrandMagic]

Согласен, что уменьшение силы тяжести очень небольшое. Но даже уменьшение на 0.6%- при старте и до 2-3% при достижении 70км. Вполне скажется на снижении веса топлива на n кг при массе ракеты в десятки или сотни тонн. А при запуске лишних кг не будет!

[Stepa]

Я полагаю, что изменение силы тяжести здесь ничего не сыграет - все равно полезной нагрузке надо придавать импульс, причем в горизонтальном, а не в вертикальном направлении.
Здесь главный выигрыш будет в преодолении большого аэродинамического сопротивления - меньшая масса обтекателя, малые потери.

Ведь даже запуская с платформы с высотой в лунную орбиту,

V ~ 1 км/с придется придать нагрузке, чтобы она не упала на Землю.