Помешает ли физика успеху SpinLaunch?

SpinLaunch ловко попытается достичь космоса с минимальным ракетным топливом. Но не помешает ли физика успеху полномасштабной версии?

Ключевые выводы

Хотя человечеству удалось отправить космический корабль на орбиту и даже за пределы гравитационного притяжения Земли, единственный способ, которым мы это сделали, - это запуск ракет, пожирающих топливо.
В прошлом предлагались альтернативы: рельсотроны, запуски снарядов, космические лифты и многое другое, но ни один из них так и не доставил на орбиту ни одной полезной нагрузки.
С рабочим прототипом, успешно запускающим объекты со скоростью 1000 миль в час, SpinLaunch выглядит многообещающе. Но не помешают ли законы физики полномасштабной версии?

Человечество давно мечтает вырваться из уз гравитационного притяжения Земли, проложив нам путь к исследованию бескрайних просторов космоса, лежащих за пределами нашего мира. Начиная с 20-го века, мы начали осуществлять эту мечту, используя мощь ракетных технологий, когда мы сжигали топливо, чтобы обеспечить большое и постоянное ускорение полезной нагрузки, в конечном итоге выводя ее над атмосферой Земли или на орбиту вокруг нашей планеты. или, что более амбициозно, полностью уйти от гравитации нашей планеты.

Однако запуски ракет, даже если ракета-носитель подлежит утилизации и повторному использованию, чрезвычайно ресурсоемки, дороги и небезопасны для окружающей среды. С середины 20 века было предложено множество альтернативных технологий для отправки объектов в космос, но по состоянию на 2022 год ни одна из них еще не достигла этой цели. Одна компания стремится изменить это в ближайшие несколько лет: SpinLaunch. В идеале они создадут полномасштабную версию своего рабочего прототипа скромных размеров, чтобы раскручивать объекты до скорости 5 000 миль в час (8 100 км/ч) и запускать их вверх, где будет работать небольшой ускоритель. их в космос. Это амбициозная цель, но законы физики могут стоять на пути. Вот почему.

Это может выглядеть как ракета, но это не ракета: это аэродинамический снаряд, предназначенный для запуска с большим количеством кинетической энергии после того, как его «раскрутят» до желаемого выхода скорость. Отключение первой ступени запуска ракеты в попытке достичь космоса может сэкономить 70% или более затрат на топливо/запуск.

Со временем было предложено несколько идей в качестве альтернативы запускам ракет.

Рейлган, например, будет электромагнитно ускорять снаряд вдоль пути, пока снаряд не достигнет конца, где он потенциально может достичь космоса с достаточно большой выходной скоростью.
Космический лифт, в качестве альтернативы, поднимет объект, предназначенный для орбиты, над земной атмосферой, полагаясь на достаточно прочную инфраструктуру, чтобы нести полезную нагрузку без ракеты-носителя.
Или баллистическое решение, когда объект просто выстреливается на высокой скорости вверх через атмосферу, может унести объект на большую часть пути или даже полностью в космос.

Этот последний вариант в течение 1950-х и 1960-х годов привел к проекту HARP: проекту высотных исследований, в рамках которого когда-то запускаемый из пушки снаряд поднимался на самую высокую высоту, когда-либо достигавшуюся с помощью этого средства, чтобы 180 километров (110 миль) над поверхностью Земли. Однако сочетание факторов, в том числе травма, полученная полезной нагрузкой во время ее первоначального запуска, помешала ракетному ускорителю поздней ступени функционировать как часть полезной нагрузки, не позволив ему выйти на орбиту или выйти из-под земного притяжения.

Вполне вероятно, что проект HARP послужил источником вдохновения для того, что SpinLaunch пытается сделать сегодня.

Эта диаграмма внутренних компонентов системы SpinLaunch демонстрирует работу различных основных компонентов системы SpinLaunch. Он предлагает потенциал революционных систем запуска, но связан со многими рисками и потенциальными ловушками.

Идея SpinLaunch одновременно чертовски проста и невероятно сложна. Вместо запуска с помощью пушки, как это было в Project HARP, SpinLaunch построит большой круговой ускоритель, вроде центрифуги. С одной стороны подготавливается полезная нагрузка внутри аэродинамического корабля; с другой стороны, его уравновешивает противовес. Воздух внутри откачивается, создавая вакуум. И тут начинается раскрутка. С каждым оборотом внутри механизма SpinLaunch полезная нагрузка и противовес ускоряются, увеличивая свою угловую скорость снова и снова.

После достижения критической скорости полезная нагрузка отделяется от остальной части аппарата и запускается прямо вверх, где она проникает через тонкую, но герметичную оболочку и входит в атмосферу Земли. Цель состоит не в том, чтобы пройти весь путь в космос, а скорее «только» на очень большие высоты, не только над тропосферой Земли и в стратосферу, но даже выше стратосферы и полностью в мезосферу. Только после этого запустится ракета-носитель и доставит полезную нагрузку оставшуюся часть пути в космос, сэкономив огромное количество топлива и затрат на запуск в целом. В идеале SpinLaunch сможет запускать много полезной нагрузки каждый день, за долю стоимости даже многоразовых запусков ракет.

Текущий прототип SpinLaunch, в масштабе одной трети от желаемой конечной пусковой установки, успешно запускал множество «фиктивных» транспортных средств со скоростью до 1000 миль в час и на высоту до 30 000 футов. Однако масштабирование этого будет непростым, так как появится много новых препятствий, которые можно игнорировать для этого прототипа и с которыми придется считаться.

На данный момент SpinLaunch построила два прототипа, самый большой из которых составляет треть диаметра желаемой окончательной версии. Этот прототип уже успешно запустил тестовые полезные нагрузки:

, которые успешно отсоединились в нужный момент,
успешно прокололи майларовую мембрану, поддерживающую вакуум,
при скорости выхода приблизительно 1 000 миль/ч (1600 км/ч),
где полезная нагрузка затем достигла высоты ~30 000 футов или почти 10 километров.

Это замечательно и впечатляюще, но не обязательно достаточно впечатляюще. Чтобы успешно выйти на низкую околоземную орбиту, космический корабль должен достичь высоты около 300 километров (186 миль) с орбитальной скоростью 25 000 километров в час (16 000 миль в час), что подразумевает гораздо большие скорости и высоты, чем SpinLaunch. в состоянии достичь. Чтобы добраться туда, план состоит в том, чтобы полномасштабная система SpinLaunch достигла выходной скорости 5 000 миль в час (8 100 км в час), а затем активировать работающую ракету поздней ступени, чтобы взять полезную нагрузку на оставшуюся часть пути. на орбиту, как только он достигнет высоты ~ 60 километров.

Будет ли SpinLaunch осуществимой концепцией, когда она масштабируется до желаемого дизайна? Все зависит от того, удастся ли преодолеть следующие физические проблемы.

С длинной рукой, соединенной с ракетой-носителем с полезной нагрузкой внутри, и короткой рукой, уравновешенной противовесом, идея SpinLaunch состоит в том, чтобы ускорить это постепенно, в течение примерно ~ 30 минут, пока дальний конец длинного плеча не достигнет желаемой выходной скорости, после чего транспортное средство будет запущено вверх, чтобы начать путешествие полезной нагрузки в космос. Это не без риска.

Проблема №1: выдержит ли полезная нагрузка раскрутку?

Это не тривиальная проблема. Всякий раз, когда вы ускоряете объект, чтобы он двигался по кругу, на него действует не только сила «раскрутки», вызывающая увеличение его угловой скорости, но и центростремительная сила - сила, направленная к центру круга, - которая предотвращает движение объекта. либо врезаться в сторону акселератора, либо преждевременно отлететь по прямой. Эта центростремительная сила зависит от трех факторов:

масса полезной нагрузки,
скорость объекта,
и размер (радиус) окружности.

При полном размере и желаемой скорости на выходе 5 000 миль в час (8 100 км/ч), что означает пиковое центростремительное ускорение, непосредственно перед запуском полезной нагрузки, где-то между 50 000 и 100 000 г с, где один г - ускорение свободного падения на поверхности Земли. Полезная нагрузка должна разгоняться до этого пикового ускорения в течение длительных периодов времени - около 30 минут - и выдерживать его со всеми неповрежденными системами, включая бортовую ракетную систему, чтобы достичь орбиты. Это представляет собой пиковое ускорение, которое в восемь раз больше, чем у текущего прототипа.

Такие условия еще ни разу не выполнялись; это огромное препятствие, которое нужно преодолеть.

Если не будут достигнуты какие-то новые инженерные вехи, предлагаемая жидкотопливная конструкция большинства современных ракет будет абсолютно непригодна для использования на борту ракеты SpinLaunch ни для 1-й, ни для 2-й ступени, так как силы, которые она будет испытывать во время вращения -up и launch сделает такую систему неработоспособной.

Проблема №2: Нельзя использовать традиционное ракетное топливо на жидкой основе

Всегда предпочтительнее опираться на уже существующие технологии, чем изобретать что-то совершенно новое, и, тем не менее, последнее - это именно то, что ожидает полезная нагрузка SpinLaunch. Причина проста: если у вас на борту есть жидкое топливо, вам нужна водопроводная система для его содержания и контроля; это именно тот тип системы, который не выдержит ускорений, требуемых SpinLaunch.

Это означает, что вместо него нужно будет использовать твердое ракетное топливо: что-то с твердостью и долговечностью вроде формика. В принципе, это можно сделать, но это представляет собой существенное препятствие для выхода в космос.

Хотя твердотопливные ракеты имеют ряд преимуществ по сравнению с жидкостными, эти преимущества включают стабильность, долговечность и надежность. Однако, к сожалению, они имеют более низкую эффективность и менее управляемы, чем жидкотопливные альтернативы, поэтому твердотопливные ракеты в основном используются в военных вооружениях, а жидкотопливные ракеты обычно используются для космических полетов. Даже если эту трудность удастся преодолеть, ограничения твердотопливных приложений неизбежно ограничивают массу полезной нагрузки, которую можно доставить с помощью SpinLaunch.

Проблема №3: Прокол майларового листа, сохраняющего вакуум SpinLaunch, может разрушить полезную нагрузку

Вы помните досадную и трагическую катастрофу космического корабля "Колумбия"? Когда Колумбия попыталась вернуться в атмосферу, космический корабль катастрофически развалился, в результате чего погибли все астронавты на борту. Однако причина, по которой шаттл распался в атмосфере, заключалась в том, что небольшой легкий кусок пенопластовой изоляции ударил часть корабля на очень высокой скорости. Это ключевое понятие в физике: количество кинетической энергии, которой обладает что-либо, и, следовательно, количество повреждений, которое оно может нанести при столкновении, пропорционально его массе, но пропорционально квадрату его скорости.

С выходной скоростью 5 000 миль в час, а не 1 000 миль в час, как у текущего прототипа, это означает:

ракета-носитель ударит по листу майлара с кинетической энергией, в 25 раз превышающей кинетическую энергию текущих испытаний,
майларовый лист передаст полезной нагрузке в 25 раз больше энергии, чем текущие тесты,
и переход полезной нагрузки от перемещения в вакууме к перемещению через атмосферу Земли означает «удар о стену» атмосферы, в которую полезная нагрузка ударится с силой, в 25 раз превышающей силу, которую испытывает нынешний прототип.

Сможет ли ракета-носитель/полезная нагрузка выдержать такие условия и остаться полностью работоспособной и неповрежденной? Это возможно, но это никогда не делалось раньше. Опять же, это беспрецедентное препятствие, которое необходимо преодолеть.

SpinLaunch обещает радикально сократить затраты на запуск и использование топлива для орбитальных и суборбитальных полезных нагрузок, которые могут выдержать перегрузки при кинетическом запуске, но также создает уникальные условия по сравнению с другими методами запуска, которые могут создавать трудности которые не так просто преодолеть.

Проблема №4: Сила атмосферного сопротивления полезной нагрузки будет огромной

Если вы высунете руку из окна автомобиля, когда вы едете со скоростью 100 км/ч (62 мили в час), какую силу лобового сопротивления она испытает по сравнению с движением на половине этой скорости: 50 км/ч (31 миль в час)? Ответ не в два раза больше силы, как можно было бы ожидать, а в четыре раза больше силы. Сила сопротивления, которую вы испытываете, пропорциональна площади поперечного сечения объекта (в данном случае вашей руки), а также квадрату скорости, с которой вы движетесь.

Обычно ракеты начинают медленно двигаться вблизи поверхности Земли, где атмосфера наиболее плотная, и набирают скорость по мере того, как продолжают ускоряться в атмосфере. Самые высокие скорости достигаются на самых больших высотах: там, где воздух самый разреженный.

Не так со SpinLaunch; на самом деле верно обратное. Полезная нагрузка будет двигаться быстрее всего там, где атмосфера самая плотная, что максимизирует скорость и потери энергии из-за сопротивления. Это также существенно нагреет полезную нагрузку, причем так, как ни одна полезная нагрузка, которая когда-либо добиралась до космоса. Самая большая проблема с проектом HARP, когда он запускался, заключалась в том, что не было полезной нагрузки, которую можно было бы запустить и которая была бы способна на большой высоте доставить его до конца пути в космос. Сможет ли SpinLaunch решить эту проблему? Это еще предстоит продемонстрировать.

Стартап Green Launch напрямую строится на проектах HARP и Super HARP: с масштабируемой баллистической пусковой установкой, способной развивать скорость, намного превышающую текущий прототип SpinLaunch. Будут ли реализованы планы Green Launch или SpinLaunch по выходу на орбиту, пока неизвестно.

Проблема № 5: баллистические пусковые установки на основе пушек могут достигать гораздо большей скорости выхода, чем SpinLaunch

Хотя это блестящая идея - попытаться вырезать первую ступень ракеты, на которую, в конце концов, идут самые большие затраты топлива, цели SpinLaunch впечатляют. При стартовой скорости 5 000 миль в час (8 100 км в час) он обязательно достигнет больших высот самостоятельно.

Но зачем внедрять технологию, которая требует больших затрат, инфраструктуры и движущихся частей, а также требует, чтобы ваша полезная нагрузка выдерживала десятки тысяч g s в течение десятков минут, когда вы можете просто масштабировать что мы уже узнали из Project HARP?

В 1990-х годах доктор Джон Хантер руководил так называемой Super HARP, которая представляла собой баллистическую пусковую систему, работающую на метане и водороде, которая достигала выходной скорости 6 700 миль в час (10 800 км/ч).). Конкурирующий стартап Green Launch утверждает, что лабораторные водородные системы достигли скорости на выходе 25 000 миль в час (39 600 км/ч) и что доступна полномасштабная скорость снаряда 9 000 миль в час (14 400 км/ч). Фактически, в ходе испытаний в декабре 2021 года скорость на выходе достигла 4 400 миль в час (7 200 км в час), что почти соответствует желаемым полномасштабным целям SpinLaunch. В то время как SpinLaunch потребует как минимум два дополнительных этапа, чтобы достичь космоса, Green Launch стремится достичь линии Кармана, которая определяет начало космоса, на высоте 100 километров (62 мили) только от запуска снаряда.

Нет никаких сомнений в том, что в старой поговорке о том, что «удача сопутствует смелым», есть большая доля правды, и SpinLaunch, безусловно, является смелой идеей. Однако законы физики создают многочисленные препятствия для тех, кто хотел бы строить мощные, быстро движущиеся крупногабаритные аппараты с движущимися частями. В 1990-х годах Министерство энергетики пыталось построить огромные центрифуги для ускорения больших объектов, но они всегда начинали ломаться на скоростях ~3 100 миль в час (5 000 км/ч): около 60% скоростей, на которые нацелен SpinLaunch. достигать. Задачи, стоящие перед командой, стремящейся достичь заявленных целей, огромны.

Это не означает, что SpinLaunch невозможен или что его концепции нарушают законы физики; они не. Однако существует очень большая разница между тем, что физически возможно, и тем, что физически практично. Неясно, можно ли с трехкратным диаметром нынешнего прототипа достичь желаемых параметров запуска. Даже если это так, еще неизвестно, смогут ли более поздние этапы, необходимые для вывода запущенных полезных нагрузок на орбиту, работать после экстремальных условий раскрутки SpinLaunch, запуска и сопротивления. В стремлении достичь космоса важно изучить множество вариантов, но масштабирование прототипа редко бывает таким простым, как может показаться на первый взгляд.