Войти
Нераакетный запуск в космос относится к концепциям запуска в космос где некоторая или вся необходимая скорость и высота обеспечивается чем-то более мощным или отличным от ракет, или отличными от одноразовыми ракетами. Было предложено несколько альтернатив одноразовым ракетам. В некоторых системах, таких как комбинированная система запуска, скайхук, запуск салазок, рокон или запуск с воздуха, ракета будет часть, но только часть системы, используемой для достижения орбиты.
Сегодняшние затраты на запуск очень высоки - от 2500 до 25000 долларов за килограмм с Земли на низкую околоземную орбиту (НОО). В результате затраты на запуск составляют большой процент от стоимости всех космических усилий. Если запуск можно удешевить, общая стоимость космических полетов снизится. Из-за экспоненциального характера уравнения ракеты обеспечение даже небольшой скорости на НОО другими способами может значительно снизить стоимость выхода на орбиту.
Стоимость запуска в сотни долларов за килограмм сделает возможными многие предлагаемые крупномасштабные космические проекты, такие как колонизация космоса, космическая солнечная энергия и терраформирование Марса.
| Метод | Год публикации | Расчетная стоимость сборки. (млрд. US $) | Масса полезной нагрузки (кг) | Расчетная стоимость до LEO (US$/kg) | Грузоподъемность (т / год) | Уровень технологической готовности |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Расходуемая ракета | 1903 | 225 - 130 000 | 4 000 - 20 000 | н / д | 9 | |
| Космический лифт | 1895 | 2 | ||||
| Невращающийся Skyhook | 1990 | < 1 | 2 | |||
| Гиперзвуковой Skyhook | 1993 | < 1 | 1500 | 30 | 2 | |
| Rotovator | 1977 | 2 | ||||
| Гиперзвуковой самолет Space Tether Orbital Launch (HASTOL) | 2000 | 15000 | 2 | |||
| Космический фонтан | 1980-е годы | |||||
| Орбитальное кольцо | 1980 | 15 | 2 × 10 | < 0.05 | 4 × 10 | 2 |
| Стартовая петля (маленькая) | 1985 | 10 | 5,000 | 300 | 40,000 | 2+ |
| Цикл запуска (большой) | 1985 | 30 | 5,000 | 3 | 6,000,000 | 2+ |
| KITE Launcher | 2005 | 2 | ||||
| StarTram | 2001 | 20 | 35,000 | 43 | 150,000 | 2 |
| Космическая пушка | 1865 | 0,5 | 450 | 1100 | 6 | |
| Барабан-ускоритель | 2004 | 6 | ||||
| Слингатрон | 100 | от 2 до 4 | ||||
| Орбитальный дирижабль | 0,34 |
В данном контексте термин «статический» предназначен для передачи понимания того, что структурная часть системы не имеет внутренних движущихся частей.
Космическая башня - это башня, которая достигнет космического пространства. Во избежание немедленной необходимости запуска аппарата, запущенного с орбитальной скоростью, для поднятия своего перигея, башня должна быть выше границы космоса (выше 100 км линии Кармана ), но гораздо меньшая высота башни может снизить потери на сопротивление атмосферному сопротивлению при подъеме. Если башня полностью выйдет на геосинхронную орбиту на расстояние примерно 35 999 километров (22 369 миль), объекты, выпущенные на такой высоте, затем могут улететь с минимальной мощностью и будут на круговой орбите. Концепция сооружения, выходящего на геостационарную орбиту, впервые была придумана Константином Циолковским. Первоначальная концепция, представленная Циолковским, была компрессионной. Построение компрессионной конструкции с нуля оказалось нереальной задачей, поскольку не существовало материала с достаточной прочностью на сжатие, чтобы выдержать собственный вес в таких условиях. Другие идеи используют очень высокие компрессионные башни, чтобы снизить требования к ракетам-носителям. Транспортное средство «поднимается» на башню, которая может выходить за пределы атмосферы, и запускается сверху. Такая высокая башня для доступа в космос на высоте 20 км (12 миль) была предложена различными исследователями.
Растягивающие конструкции для неракетных космических запусков - это предложения использовать длинные, очень прочные тросы (известные как тросы ) для подъема полезной нагрузки в космос. Тросы также можно использовать для изменения орбиты в космосе.
Орбитальные привязи могут быть заблокированы приливом (небесный крюк ) или вращаться (ротоваторы). Они могут быть сконструированы (теоретически) для приема полезной нагрузки, когда полезная нагрузка неподвижна или когда полезная нагрузка гиперзвуковая (имеет высокую, но не орбитальную скорость).
Эндо-атмосферные тросы могут использоваться для передачи кинетики (энергия и импульс) между большими обычными самолетами (дозвуковыми или малыми сверхзвуковыми) или другой движущей силой и меньшими аэродинамическими аппаратами, приводя их к гиперзвуковым скоростям без экзотических двигательных систем.
Вращающийся и невращающийся Skyhooks на орбите A Skyhook - это теоретический класс силовых установок на орбитальном тросе, предназначенных для подъема грузов на большие высоты и скорости. Предложения для небесных крюков включают конструкции, в которых используются тросы, вращающиеся с гиперзвуковой скоростью, для захвата высокоскоростных грузов или высотных самолетов и вывода их на орбиту.
Космический лифт будет состоять из троса, прикрепленного к Поверхность Земли, достигающая космоса.Космический лифт - это предлагаемый тип космической транспортной системы. Его основным компонентом является ленточный кабель (также называемый трос ), прикрепленный к поверхности и простирающийся в космос над уровнем геосинхронной орбиты. Когда планета вращается, центробежная сила на верхнем конце троса противодействует гравитации и удерживает трос в натянутом состоянии. После этого транспортные средства могут подняться на трос и достичь орбиты без использования ракетной тяги.
Такой кабель может быть изготовлен из любого материала, способного выдержать натяжение, достаточно быстро сужая диаметр кабеля по мере его приближения к поверхности Земли. На Земле, с ее относительно сильной гравитацией, современные материалы недостаточно прочны и легки. При использовании обычных материалов коэффициент конусности должен быть очень большим, что приведет к увеличению общей стартовой массы до недопустимой с финансовой точки зрения степени. Однако материалы на основе углеродных нанотрубок или нитрида бора были предложены в качестве растягивающего элемента в конструкции троса. Их измеренная прочность высока по сравнению с их линейной плотностью. Они являются многообещающими материалами, которые сделают возможным создание космического лифта на Земле.
Лэндис и Кафарелли предположили, что натяжная конструкция («космический лифт»), простирающаяся вниз от геосинхронной орбиты, может быть объединена со структурой сжатия («Циолковски» башня "), простирающаяся вверх от поверхности, образуя комбинированную структуру, выходящую на геостационарную орбиту с поверхности, и имеющую структурные преимущества перед любой из них по отдельности.
Концепция космического лифта также применима к другим планетам и небесным тела. Для мест в Солнечной системе с более слабой гравитацией, чем у Земли (например, Луна или Марс ), требования прочности к плотности не так велики для материалов привязи. Доступные в настоящее время материалы (такие как кевлар ) могут служить там в качестве связующего материала для лифтов.
КАЙТ-пусковая установка - передача импульса транспортному средству. Эндо-атмосферный трос использует длинный кабель в атмосфере, чтобы обеспечить некоторую или полную скорость, необходимую для достижения орбиты. Трос используется для передачи кинетики (энергии и импульса) от массивного медленного конца (обычно большого дозвукового или малозвукового самолета) к гиперзвуковому концу за счет аэродинамики или центростремительного воздействия. Пусковая установка Kinetics Interchange TEther (KITE) - одна из предлагаемых эндо-атмосферных тросов.
Космический фонтан Hyde design. Космический фонтан - это предлагаемая форма космического лифта, который не требует, чтобы конструкция находилась на геостационарной орбите, и не полагается на предел прочности для поддержки. В отличие от оригинальной конструкции космического лифта (привязанный спутник ), космический фонтан представляет собой чрезвычайно высокую башню, идущую вверх от земли. Поскольку такая высокая башня не могла выдержать собственный вес с использованием традиционных материалов, массивные гранулы проецируются вверх из нижней части башни и перенаправляются обратно вниз, когда достигают вершины, так что сила перенаправления удерживает вершину башни в воздухе.
Орбитальное кольцо. Орбитальное кольцо - это концепция гигантского искусственно построенного кольца, висящего в низкая околоземная орбита, которая вращалась бы со скоростью, немного превышающей орбитальную скорость, которая имела бы фиксированные тросы, свисающие с землей.
В серии статей 1982 года, опубликованных в Journal of the British Interplanetary Общество, Пол Берч представил концепцию орбитальных кольцевых систем. Он предложил вращающийся кабель, размещенный на низкой околоземной орбите, вращающийся со скоростью чуть выше орбитальной. Не на орбите, а на этом кольце, поддерживаемые электромагнитным путем на сверхпроводящих магнитах, - это кольцевые станции, которые остаются в одном месте над некоторой обозначенной точкой на Земле. С этих кольцевых станций свисают короткие космические лифты, сделанные из тросов с высоким отношением прочности на разрыв к массе. Берч утверждал, что кольцевые станции, помимо удерживания троса, могут ускорять орбитальное кольцо на восток, заставляя его прецессировать вокруг Земли.
В 1982 году белорусский изобретатель Анатолий Юницкий также предложил электромагнитную трассу, опоясывающую Землю, которую он назвал «Струнная транспортная система». Когда скорость струны превысит 10 км / сек, центробежные силы оторвут струну от поверхности Земли и поднимут кольцо в космос.
Пусковая петля. Пусковая петля или Петля Лофстрема представляет собой конструкцию системы ленточного на основе маглева орбитального запуска, которая будет иметь длину около 2000 км и поддерживается на высоте до 80 километров (50 миль). Транспортные средства весом 5 метрических тонн будут электромагнитно ускорены поверх кабеля, образующего траекторию ускорения, с которой они будут выведены на земную орбиту или даже за ее пределы.. Структуре постоянно потребуется около 200 МВт мощности, чтобы поддерживать ее на месте.
Система разработана так, чтобы быть пригодной для запуска людей для космического туризма, освоения космоса и колонизация космоса с максимальным ускорением 3 g.
Одна предлагаемая конструкция представляет собой отдельно стоящую башню, состоящую из высокопрочного материала (например, кевлара ) трубчатые колонны, наполненные газовой смесью низкой плотности, и с системами динамической стабилизации, включая гироскопы и «уравновешивание давления». Предлагаемые преимущества по сравнению с другими конструкциями космических лифтов включают отказ от работы с конструкциями большой длины, которые используются в некоторых других конструкциях, строительство с земли вместо орбиты и функциональный доступ ко всему диапазону высот в пределах практической досягаемости конструкции. Представленный проект выполнен «на высоте 5 км и простирается до 20 км над уровнем моря», и авторы предполагают, что «подход может быть дополнительно масштабирован для обеспечения прямого доступа к высотам более 200 км».
Основная трудность такой башни - ее изгиб, поскольку это длинная тонкая конструкция.
С любой из этих пусковых установок, пусковая установка обеспечивает высокую скорость на уровне земли или вблизи нее. Чтобы достичь орбиты, снаряду необходимо придать дополнительную скорость, достаточную для пробивания атмосферы, если только он не включает дополнительную двигательную установку (например, ракету). Кроме того, снаряду необходимы внутренние или внешние средства для выполнения орбитального вывода. Представленные ниже конструкции делятся на три категории: с электрическим приводом, с химическим приводом и с механическим приводом.
Электрические пусковые системы включают в себя двигатели массы, рельсотроны и койлганы. Все эти системы используют концепцию стационарной стартовой линии, в которой используется линейный электродвигатель той или иной формы для ускорения снаряда.
Масс-драйвер для запуска на Луну (концепция художника). 
Электродинамические взаимодействия в рельсотроне. Масс-драйвер - это, по сути, очень длинный и в основном горизонтально выровненный стартовая площадка или туннель для запуска в космос, загнутый вверх на конце. Эта концепция была предложена Артуром К. Кларком в 1950 году и была разработана более подробно Джерардом К. О'Нилом в сотрудничестве с Институтом космических исследований, сосредоточив внимание на использовании массового драйвера для запуска материала с Луны.
Массовый водитель использует своего рода отталкивание, чтобы сохранить полезную нагрузку отдельно от пути или стен. Затем он использует линейный двигатель (двигатель переменного тока, такой как в катушечной пушке, или униполярный двигатель, как в рельсотроне) для ускорения полезной нагрузки до высоких скоростей. После выхода с стартовой линии полезная нагрузка будет достигать стартовой скорости.
StarTram - это предложение для запуска транспортных средств прямо в космос путем их ускорения с помощью массового двигателя. Транспортные средства будут перемещаться за счет отталкивания maglev между сверхпроводящими магнитами на транспортном средстве и алюминиевыми стенками туннеля, когда они будут ускоряться магнитным приводом переменного тока от алюминиевых катушек. Требуемая мощность, вероятно, будет обеспечиваться сверхпроводящими накопителями энергии, распределенными по туннелю. Транспортные средства могут двигаться накатом до низкой или даже геосинхронной орбитальной высоты; тогда потребовалось бы сжечь небольшой ракетный двигатель, чтобы сделать орбиту круговой.
Системы поколения 1, предназначенные только для грузовых перевозок, разгоняются до 10–20 Gs и выходят с вершины горы. Хотя они не подходят для пассажиров, они могут выводить груз на орбиту по цене 40 долларов за килограмм, что в 100 раз дешевле, чем ракеты.
Пассажирские системы поколения 2 будут ускоряться на гораздо большее расстояние при 2G. Транспортные средства войдут в атмосферу на высоте 20 км из эвакуированного туннеля, ограниченного кевларовыми тросами и поддерживаемого магнитным отталкиванием между сверхпроводящими кабелями в туннеле и на земле. Для обеих систем Gen 1–2 отверстие трубки будет открыто во время разгона транспортного средства, и воздух будет удерживаться магнитогидродинамическим насосом.
Проект ХАРП, прототип космической пушки. Космическая пушка - это предлагаемый метод запуска объекта в космическое пространство с использованием большой пушки, или пушка. Писатель-фантаст Жюль Верн предложил такой способ запуска в С Земли на Луну, а в 1902 году был адаптирован фильм Путешествие на Луну..
Однако даже с «стволом » через земную кору и тропосферу, перегрузки, необходимая для создания космической скорости, все равно будет больше, чем допускает человек. Следовательно, космическая пушка будет ограничена грузовыми спутниками и спутниками повышенной прочности. Кроме того, снаряду необходимы внутренние или внешние средства для стабилизации на орбите.
Концепции запуска оружия не всегда используют горение. В пневматических пусковых системах снаряд ускоряется в длинной трубе за счет давления воздуха, создаваемого наземными турбинами или другими средствами. В легком газовом пистолете давлением является газ с малой молекулярной массой, чтобы максимизировать скорость звука в газе.
Джон Хантер из «Зеленого запуска» предлагает использовать «водородную пушку» для вывода на орбиту беспилотных грузов с меньшими затратами, чем обычные затраты на запуск.
Плунжерный ускоритель также использует химическую энергию, как и космическая пушка, но он полностью отличается тем, что основан на двигательном цикле, подобном реактивному двигателю, с использованием ПВРД и / или ГПВРД процессы сгорания для ускорения снаряда до чрезвычайно высоких скоростей.
Это длинная трубка, заполненная смесью горючих газов, с хрупкой диафрагмой на обоих концах для сдерживания газов. Снаряд, имеющий форму сердечника ударной струи, выстреливается другим средством (например, космическим орудием, описанным выше) сверхзвуковым путем через первую диафрагму в конец трубы. Затем он сжигает газы как топливо, ускоряясь по трубе под действием реактивного движения. Другая физика вступает в игру с более высокими скоростями.
Ускоритель взрывной волны похож на космическое орудие, но отличается тем, что кольца взрывчатого вещества по длине ствола взрываются последовательно, чтобы поддерживать высокое ускорение. Кроме того, вместо того, чтобы просто полагаться на давление за снарядом, ускоритель взрывных волн специально рассчитывает время взрыва, чтобы сжать хвостовой конус снаряда, как можно выстрелить тыквенным семечком, сжимая конический конец.
В слингатроне снаряды ускоряются по жесткой трубе или гусенице, которая обычно имеет круговые или спиральные повороты или комбинации эти геометрии в двух или трех измерениях. Снаряд ускоряется в изогнутой трубе за счет приведения всей трубы в движение круговым движением малой амплитуды с постоянной или увеличивающейся частотой без изменения ориентации трубы, то есть вся труба вращается, но не вращается. Обычным примером этого движения является перемешивание напитка, удерживая контейнер и перемещая его по маленьким горизонтальным кругам, заставляя содержимое вращаться, без вращения самого контейнера.
Это вращение непрерывно перемещает трубу с компонентом в направлении центростремительной силы, действующей на снаряд, так что работа с снарядом непрерывно выполняется по мере его продвижения через машину. Центростремительная сила, испытываемая снарядом, является ускоряющей силой и пропорциональна массе снаряда.
При запуске с воздуха самолет-носитель переносит космический аппарат на большую высоту и скорость перед запуском. Этот метод использовался на суборбитальных аппаратах X-15 и SpaceshipOne, а также на орбитальной ракете-носителе Pegasus.
Основные недостатки заключаются в том, что самолет-носитель имеет тенденцию быть довольно большим, а разделение в воздушном потоке на сверхзвуковых скоростях никогда не демонстрировалось, поэтому получаемое ускорение относительно невелико.
X-43A с ГПВРД, прикрепленными к нижней части. Космический самолет - это самолет, предназначенный для пересечения границы космоса. Он сочетает в себе некоторые черты самолета с некоторыми особенностями космического корабля . Обычно он принимает форму космического корабля, оснащенного аэродинамическими поверхностями, одним или несколькими ракетными двигателями, а иногда также дополнительной двигательной установкой.
Ранние космические самолеты использовались для исследования гиперзвуковых полетов (например, X-15 ).
Некоторые конструкции с воздушным двигателем (см. X-30 ), такие как самолеты на базе ГПРД или импульсные детонационные двигатели потенциально могут достичь орбитальной скорости или использовать какой-либо полезный способ для этого; однако эти конструкции все равно должны выполнить окончательное сгорание ракеты в своем апогее, чтобы сделать траекторию полета не возвращаться в атмосферу. Другие многоразовые конструкции, похожие на турбореактивные, такие как Skylon, в которых используются реактивные двигатели с предварительным охлаждением до скорости 5,5 Маха перед запуском ракет на орбиту, по-видимому, имеют бюджет массы, позволяющий большая полезная нагрузка, чем у обычных ракет, при достижении этого за одну ступень.
Воздушные шары могут поднять начальную высоту ракет. Однако воздушные шары имеют относительно низкую полезную нагрузку (хотя см. Проект Sky Cat для примера тяжелого аэростата, предназначенного для использования в нижних слоях атмосферы), и это уменьшается даже в re с увеличением высоты.
Подъемным газом может быть гелий или водород. Гелий не только дорог в больших количествах, но также является невозобновляемым ресурсом. Это делает воздушные шары дорогостоящим средством помощи при запуске. Можно использовать водород, поскольку он дешевле и легче гелия, но его недостатком является легковоспламеняемость. Ракеты, запускаемые с воздушных шаров, известные как «роконы », были продемонстрированы, но на сегодняшний день только для суборбитальных («зондирующих ракет») миссий. Размер аэростата, который потребуется для подъема орбитальной ракеты-носителя, будет чрезвычайно большим.
Один прототип платформы для запуска воздушного шара был изготовлен JP Aerospace как «Проект Тандем», хотя он не использовался в качестве ракеты-носителя. JP Aerospace также предлагает гиперзвуковой, более легкий, чем воздух, разгонный блок. Испанская компания zero2infinity официально разрабатывает систему запуска под названием bloostar на основе концепции rockoon, которая, как ожидается, будет введена в эксплуатацию к 2018 году.
Gerard K О'Нил предположил, что, используя очень большие воздушные шары, можно построить космический порт в стратосфере. С него могли запускаться ракеты, или массовый драйвер мог разгонять полезные нагрузки на орбиту. Это имеет то преимущество, что большая часть (около 90%) атмосферы находится ниже космодрома. SpaceShaft - это предлагаемая версия атмосферно плавучей конструкции, которая будет служить системой для подъема груза на ближнее пространство высоты с платформами, распределенными на нескольких высотах это обеспечило бы жилые помещения для долгосрочных операций человека на средних атмосферных и околоземных высотах. Для космических запусков он будет служить неракетной первой ступенью для ракет, запускаемых сверху.
НАСА искусство для концепции, объединяющей три технологии: электромагнитный запуск помощь с гипотетической линии пути в 2 мили (3,2 км) в Космическом центре Кеннеди, самолет ГПВ и несущая ракета для использования после запуска с воздуха выходит на орбиту. Можно комбинировать отдельные технологии. В 2010 году НАСА предположило, что будущий ГПВРД может быть ускорен до 300 м / с (решение проблемы ПВРД, не запускаемых при нулевой скорости воздушного потока) электромагнитным или другой запуск салазок помощь, в свою очередь запуск с воздуха ракеты второй ступени, доставляющей спутник на орбиту.
Все виды пусковых установок снарядов являются, по крайней мере, частично гибридными системами, если запускаются на низкая околоземная орбита, в связи с требованием циркуляризации орбиты, что как минимум влечет за собой несколько процентов от общего дельта-v для поднятия перигея (например, крошечное горение ракеты) или, в некоторых концепциях, гораздо больше от ракетного двигателя, чтобы облегчить разработку наземного ускорителя.
Некоторые технологии могут иметь экспоненциальное масштабирование, если их использовать изолированно, что делает эффект комбинаций невероятно большим. Например, 270 м / с - это менее 4% скорости низкой околоземной орбиты, но исследование NASA показало, что запуск салазок Maglifter с такой скоростью может увеличить полезную нагрузку обычного ELV ракета на 80%, когда гусеница также поднимается на гору 3000 м.
Формы запуска с земли ограничены заданным максимальным ускорением (например, к человеческому допуску перегрузки, если он предназначен для перевозки пассажиров) имеют соответствующий масштаб минимальной длины пусковой установки не линейно, а с квадратом скорости. Тетеры могут иметь еще более нелинейное экспоненциальное масштабирование. Отношение массы троса к полезной нагрузке космического троса будет около 1: 1 при конечной скорости 60% от его характеристической скорости, но станет более 1000: 1 при скорости наконечника 240% от его характеристической скорости. Например, для ожидаемой практичности и умеренного соотношения масс с современными материалами концепция HASTOL должна обеспечивать первую половину (4 км / с) скорости на орбите другими средствами, кроме самого троса.
A Предложение об использовании гибридной системы, объединяющей драйвер массы для начального подъема с последующей аддитивной тягой с помощью серии наземных лазеров, упорядоченных в соответствии с длиной волны, было предложено Машаллом Сэвиджем в книге The Millennial Project как одно из основные тезисы книги, но идея не получила сколько-нибудь заметного развития. Конкретные предложения Сэвиджа оказались невыполнимыми как по техническим, так и по политическим причинам, и, хотя трудности можно было преодолеть, основанная Сэвиджем группа, которая теперь называется Фонд Живая Вселенная, не смогла собрать значительные средства на исследования.
Объединение нескольких технологий само по себе приведет к увеличению сложности и проблем разработки, но снижение требований к производительности данной подсистемы может позволить снизить ее индивидуальную сложность или стоимость. Например, количество деталей в ракетном двигателе, работающем на жидком топливе, может быть на два порядка меньше, если с питанием от давления, а не с насосом, если его требования по delta-v ограничены. достаточно, чтобы снизить вес такого варианта, или высокоскоростная наземная пусковая установка может иметь относительно умеренные характеристики и недорогой твердотопливный или гибридный небольшой двигатель на его снаряд. Помощь неракетными методами может компенсировать потерю веса из-за создания орбитальной ракеты многоразового использования. Хотя суборбитальный, первый частный космический корабль с экипажем, SpaceShipOne имел пониженные требования к характеристикам ракеты из-за того, что он был комбинированной системой с его запуском в воздух.
Портал космических полетов 
Научный портал  | На сайте Wikimedia Commons есть СМИ, относящиеся к запуску неракетных космических аппаратов. |
