Potrebbe essere possibile lanciare un razzo da un pallone?

Question

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Esistono diverse organizzazioni (commerciali) che cercano mezzi alternativi per lanciare razzi spaziali. Un metodo comunemente proposto è quello di utilizzare un grande aeroplano come piattaforma di lancio. Questo metodo dovrebbe, in teoria, ridurre il costo dell'invio di razzi nello spazio.

I palloni meteorologici possono raggiungere un'altitudine di 20 KM o più. Un pallone può essere utilizzato come piattaforma di lancio per razzi spaziali? Immagino che saltare i primi 20 km di volo potrebbe coprire in modo significativo il costo di un lancio.

Answer 1

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Ci sono buone ragioni per cui i palloncini non sono stati utilizzati per i sistemi di lancio.

1. Fragilità dei palloncini
2. La natura altamente energetica dei lanci di razzi
3. Controllo limitato sulla traiettoria del pallone
4. Spesa dell'elio
5. Infiammabilità dell'idrogeno.

I palloncini sono intrinsecamente fragili. Devi avere materiali molto sottili e molto leggeri per realizzare un efficace sistema di palloncini ad alta quota. Baumgartener è stato lanciato con un pallone alto 168 metri al momento del lancio, con 850.000 m³ di elio a STP, per trasportare circa 3.150 libbre (1430 kg) di carico utile. Il pallone stesso potrebbe essere facilmente perforato da una persona intenta a spingere un dito attraverso di esso.

Per fare un confronto, la massa di lancio del Falcon 9 è di circa 735.000 libbre (333.000 kg), circa 233 volte il peso, prima di considerare per la sua capacità di carico utile fino a 14.000 libbre (6350 kg). Inoltre, poiché i palloncini sono così fragili, sarebbe necessario utilizzarne almeno tre e un sistema di gondole che li mantenga ben separati, quindi si osservano circa 7,2 miliardi (7,2e9) piedi cubi (204 milioni di m³) di sollevamento di elio per risparmiare circa il 10% del carburante di lancio.

L'elio non è economico. A 84 dollari per 1000 piedi cubi (\ $ 2,97 / m³), ​​equivale a \ $ 6,048e8 (poco più di mezzo miliardo di dollari) solo in elio. Il risparmio sui costi non è presente per i grandi lanciatori.

L'idrogeno, un gas di sollevamento migliore, può essere prodotto, ma sarà comunque di circa 4 miliardi di piedi cubi (113 milioni di m³). Ma, se prende fuoco, sarà un grosso problema di fiamma. Questo farà cadere qualsiasi gondola e struttura.

Tieni presente che il lancio di un razzo produce un pennacchio lungo fino a mezzo chilometro di gas altamente energetici. Anche se la combustione è terminata, quei gas potrebbero essere ancora abbastanza caldi da danneggiare il fragile involucro del palloncino. Se quell'involucro si accende, il pallone subisce un'improvvisa (e probabilmente catastrofica) perdita di portanza; se è riempito con idrogeno, è quasi garantito che subirà una catastrofica perdita di portanza.

Un pallone abbastanza leggero da lanciare un carico utile significativo subirà un improvviso e massiccio sollevamento mentre il razzo lo libera. A condizione che l'inviluppo non sia compromesso, la perdita del 95% della massa comporterà una risalita rapida e improvvisa; non veloce come il razzo, ma abbastanza veloce da rendere un problema il recupero. La mancanza di controllo della traiettoria significa anche dover monitorare attentamente il flusso d'aria in alto. Per recuperare, il palloncino deve essere in grado di comprimere l'involucro, sfiatare l'involucro o staccarsi dall'involucro; ognuna di queste opzioni aggiunge massa e due di esse rendono il gas di sollevamento una perdita. Dati i bassi spessori necessari per ottenere un sollevamento efficiente, la compressione è improbabile. Pertanto la maggior parte del gas di sollevamento sarà irrecuperabile.

A lungo termine, è semplicemente troppo costoso e rischioso usare palloncini per superare il decollo iniziale.

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http://www.redbullstratos.com/technology/high-altitude-balloon/
http://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9
http://www.weldingandgasestoday.org/index.php/2012/04/a-look-at-rising-helium-prices/

Answer 2

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Per rimanere nell'ambito di questa domanda, farò riferimento a un'idea che ritengo soddisfi i criteri, anche se potrebbe essere discutibile.

Chiamerò l'idea palloncino- tether LAS, ed è stato pubblicato in un articolo su rivista nel 2012. Il motivo per cui questa idea è degna di nota è che è partita da uno studio di LAS (Launch Assistance Systems) precedentemente proposto e ha formalizzato i requisiti per un sistema realistico. Per questo, direi che è una delle proposte "più possibili".

Descrizione

I palloncini d'alta quota sospenderebbero grandi carrucole che sono sostanzialmente tirate in treno. Il sistema sarebbe in una posizione remota e ad alta quota. Il valore del LAS stesso è che:

• Aumenta l'altitudine del razzo
• Assegna al razzo una certa velocità verticale iniziale (ordine di 1 km / s)

Dal punto di rilascio, il razzo spara e raggiunge l'orbita per un carico utile di circa 7 kg. Sembra tutto un po 'banale. Dopotutto, accelera il razzo solo a una frazione della velocità orbitale, a un'altitudine solo una frazione dell'altitudine LEO, il carico utile è irrisorio e la velocità di lancio è solo una volta al giorno. Ma questa è scienza missilistica, secondo l'equazione del razzo, queste riduzioni fanno una differenza più grande di quanto si pensi.

Ecco un'immagine, con il rosa che rappresenta i palloncini, il blu il razzo e il marrone il tether.

Fattibilità

Chiaramente puoi lanciare qualcosa in orbita da palloncini , ma se non ci sono ragioni economiche per farlo, non accadrà mai. Il Balloon Tether LAS mostra la padronanza di un paio di questioni che verranno con il territorio. Principalmente, c'è il problema che i palloncini hanno una capacità di sollevamento molto limitata. Per maggiore portanza hai bisogno di un pallone più grande e inizi rapidamente a spingere il limite di ciò che è possibile. Ciò esercita una notevole pressione al ribasso sulle dimensioni del carico utile.

A causa di questo limite di dimensioni, è improbabile che qualsiasi sistema di palloncini possa competere con capacità di sollevamento pesanti o per voli con equipaggio. Anche per i micro-satelliti, non è possibile giustificare il costo della catena di produzione perché la domanda di frequenza di lancio non è abbastanza elevata. Ecco perché il Balloon Tether LAS propone un modello di deposito di propellenti.

Ci sono ancora alcune parti dubbie in questa proposta. Ci sono un paio di campi in cui è stata proposta l'ingegneria esplorativa utilizzando palloni legati ad alta quota. In particolare, l'energia solare, l'energia eolica e i palloncini di comunicazione. Ci sono stati alcuni precedenti storici per palloni legati che volano a circa 3 km. La tecnologia militare aumenta di 7 km circa. Per raggiungere le regioni desiderabili senza tempo dovrai andare molto oltre, e stiamo anche parlando di usare palloncini molto grandi. C'è ancora la possibilità di non legare il pallone, ma solo di farlo volare e lanciare un razzo. Ma dov'è la riutilizzabilità in questo? Ciò rende un'equazione difficile creare un sistema di lancio competitivo, sebbene ciò dipenda dallo stato della tecnologia per i sistemi legati ad alta quota.

Answer 3

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Probabilmente potresti, ma non sarebbe di grande aiuto.

Il motivo per cui è difficile entrare in orbita non è che lo spazio è alto.

È difficile entrare in orbita perché devi andare così veloce.

da XKCD What If? # 58

Answer 4

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Sì. Tuttavia, i più grandi palloni ad alta quota in funzione possono sollevare solo 8.000 libbre (3600 kg). Trama dalla Columbia Scientific Balloon Facility della NASA:

Quindi sarebbe un razzo piuttosto piccolo. Per fare un confronto, il Pegasus XL lanciato dall'aereo pesa circa 50.000 libbre (23.000 kg).

Answer 5

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Non è mai stato tentato, ma alcune persone lo hanno preso in considerazione. In realtà, una decina di anni fa c'era una vasta sezione sui lanci di palloncini nella competizione Ansari X-Prize. Il razzo più importante da progettare è stato il Progetto da Vinci

Anche se potrebbe funzionare per il suborbitale, è piuttosto improbabile che funzioni bene per un volo orbitale. La velocità è il fattore chiave per un volo orbitale e ottieni di più da un aereo. Gli aerei Plus sono più flessibili in generale di un pallone. Nel complesso, sono solo più facili da lavorare.

Answer 6

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Sì, alcune persone stanno cercando di farlo:

http://www.bloostar.com/

Questa soluzione presenta dei vantaggi , come una minore resistenza durante la risalita (che è particolarmente importante per i piccoli lanciatori a causa della legge del quadrato / cubo) e un migliore Isp dovuto alla minore pressione al lancio. Potresti anche ridurre la massa della carenatura del carico utile, tuttavia, la massa del lanciatore è fortemente limitata e hai molto meno controllo sulla procedura di lancio. Interrompere e recuperare il programma di avvio e il payload sarà molto difficile.

Answer 7

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Consentitemi di darvi qualche calcolo:

20 km sono solo il 5 percento dei Perigee 412 km di IIS.

La resistenza principale è non l'aria, la principale resistenza è la gravitazione.

Anche su IIS la gravità esercita una forza enorme, il periodo orbitale è di 92,87 minuti attraverso la Terra. Entro 1,5 ore !!! La stessa forza attira IIS sulla Terra. Queste due forze, in basso e in avanti, sono uguali. Proponiamo, sto andando da uno dei punti della Terra e dopo 1,5 ore, sto attraversando la Terra e tornando indietro. È una velocità folle.

Per far volare il razzo deve passare in diagonale per entrare in orbita, i razzi oscillano lateralmente dopo la partenza.

Per 20 km si può risparmiare solo l'attrito dell'aria, perché è troposfera ( 80 % della massa dell'atmosfera), ma la velocità del razzo non è così grande da sentire l'attrito dell'aria.

Sono rischioso proporre che l'attrito dell'aria e la forza di gravità siano correlati come 1 contro 100 in questo caso.

20 km (5 percento), superati a buon mercato dal carburante che mantenere lo spazioporto sul dirigibile.

Dall'altra parte, se verrà scoperto il carburante o il metodo più recente prendi velocità, questo spazioporto sembra risparmiare dall'attrito dell'aria.

Oggi non è necessario.

Vedi: Coilgun, Pistola spaziale

E guarda questa immagine:

Answer 8

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Sì, è possibile lanciare razzi da un pallone come Reckon. Ma ci sono molti svantaggi nel lancio da un pallone

• i palloncini sono molto difficili da manovrare, quindi la precisione nel lancio è quasi impossibile

• i palloncini necessari per portare il razzo in alta quota devono avere una superficie molto ampia

{

Secondo questo riferimento

L'elio ha una forza di sollevamento di 1 grammo per litro.

Quindi avrai bisogno di un palloncino molto grande per sollevare il razzo (hai bisogno di 1000 litri di elio per sollevare solo 1 kg di carico)

}

• è quasi impossibile lanciare un razzo su un pallone (che si lancia direttamente dalla terra)

• Per l'orbiter è tutta una questione di velocità, quindi più l'altitudine a cui vai maggiore è l'accelerazione necessaria per raggiungere la velocità orbitale richiesta

• il lancio da terra fornisce la velocità iniziale ma nell'aria semplicemente non

Tuttavia, il lancio da un pallone (se possibile) può far risparmiare sul carburante (ma non per l'orbiter). lanciare un razzo con un carico utile è impossibile (poiché ci sono molte difficoltà tecniche)

Answer 9

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Il team ARCA che compete al Google Lunar Xprize ha la sua missione basata proprio su questa idea: lanciare il razzo Helen 2 da un pallone ad elio sollevato a 14.000 m. Hanno effettuato solo un lancio riuscito e il razzo ha raggiunto i 40.000 m di altitudine. Non so se parteciperanno alla gara con la stessa idea, ma ho menzionato come esempio il fatto che è stato provato prima.

Answer 10

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Ballon talk mi ha fatto pensare all'alternativa ai razzi che i nanotubi di carbonio suggeriscono potrebbero essere disponibili nel prossimo futuro, si spera. L'ascensore spaziale.

Da un punto di vista pratico, ho pensato che non sarebbe stato possibile lanciare direttamente in orbita un cavo di rimorchio di 66.000 miglia, ma supponendo di trovare un modo per intrecciare lunghezze lunghe di nanotubi in un cavo o una cinghia e possiamo volare fuori e spostare un asteroide vicino alla terra di dimensioni considerevoli in un'orbita terrestre geosincrona, senza far precipitare un dinosauro che ha una brutta giornata tipo di collisione celeste, mi sembra che la lenta e costante salita Un pallone legato e un equipaggio equipaggiato con tute spaziali saranno coinvolti nella lavorazione finale del filo. Presumo che il cavo inizierà a essere tessuto insieme dall'asteroide geosincronicamente di stanza da qualche parte sopra le isole Jarvis, Baker o Howland lungo l'equatore nel mezzo del Pacifico.

Li ho scelti perché sono territori degli Stati Uniti e disabitati e sembrerebbero creare potenziali porte spaziali abbastanza buone. Se un'impresa privata dovesse costruirlo, presumo che vorrebbero che il loro spazio aereo fosse protetto dall'esercito più forte del mondo per evitare calamità e riparazioni. Da qui quelle isole.

La domanda è: il cavo che viene calato nell'atmosfera brucia quando la gravità lo trascina verso il suolo?

Presumo anche che sarebbe necessario un pallone perché un razzo ti muoverebbe troppo velocemente per lavorare sulla cattura del cavo discendente e avresti bisogno di una piattaforma relativamente stabile per l'equipaggio per lavorare a unire i pezzi finali in modo simile all'unione della ferrovia intercontinentale nello Utah.

Answer 11

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Potrebbe essere possibile, ma non sarà di grande aiuto se vuoi raggiungere un'orbita. Questo è facilmente visibile considerando il budget energetico . L'energia orbitale specifica per un satellite in orbita attorno alla Terra ad altitudine media (semiasse maggiore orbitale meno raggio terrestre per essere precisi) $ H $ sopra la superficie terrestre è $$ E_ {sat} = - \ frac {GM} {2 (R + H) } \ approx - \ frac {GM} {2R} + \ frac {gH} {2} $$ con $ M $ e $ R $ rispettivamente la massa e il raggio della Terra e $ g = GM / R ^ 2 $ come solito. L'energia specifica raggiunta da un pallone a quota $ h $ è $$ E_ {bal} = - \ frac {GM} {R + h} \ approx - \ frac {GM} {R} + gh $$ (ignorando il piccolo effetto dalla rotazione terrestre, cioè supponendo il lancio da un polo) .Quindi, quando si lancia un razzo dall'altitudine $ h $, deve comunque fornire la differenza $$ \ Delta E = E_ {sat} -E_ {bal} \ approx \ frac {GM} {2R} + g (H / 2-h). $$ Pertanto, il contributo principale $ GM / 2R $ non viene aiutato aumentando $ h $ da $ h = 0 $ (lancio a quota zero).