Start z powietrza na (sub)orbitę

[jmvh]

Co do Izraela - klik! Co ciekawe prawdopodobnie była rozważana wersja odpalana z C-130 (nawet się z wątkiem pokrywa ), co potencjalnie znacznie redukowało te wszystkie problemy. A jeszcze co do Orbitala:

Borysie, Pegasus XL waży 23 tony i jest wystrzeliwany z 12 km. Można więc założyć, że mniejszy samolot typu wspomnianego AirŁobuza A320 mógłby na podobną wysokość wynieść 10 tonową rakietę.

Pegasus jest wyposażony w skrzydło, które zwiększa masę i opór. Jak podejrzewam, alternatywny sposób uwalniania rakiety przez samolot zwiększył by jego osiągi/zmniejszył masę.

[jmvh]

Niedawno toczyła się tu rozmowa w kontekście Izraela. Otóż pojawiły się informacje sugerujące możliwość powietrznego odpalania rakiety Shavit 2, wspomniane w moim poprzednim poście rozważania niekoniecznie zostały więc zaniechane.

    Under the new option gaining traction within some sectors of Israel’s defense and space establishment, the Shavit 2 would be carried under the fuselage of a specially adapted 747 airliner, flown to the Indian Ocean, and launched from altitudes of about 12,000 meters eastward in the direction of Earth’s rotation.

Swego czasu Boeing też rozważał odpalanie rakiety ze swojego 747, rakieta miała być zamocowana na grzbiecie i posiadać skrzydła, dające siłę nośną pozwalającą na prawidłowe oddzielenie od nosiciela. Miały one być odstrzelanie pięć sekund po zapłonie pierwszego stopnia (tj. Castor 120). Ale Izraelczycy są bardziej hardcorowi:

    Unlike the U.S. Pegasus rocket, which is dropped bomb-style from an L-1011 carrier aircraft and then maneuvers itself into its launch trajectory, the Israeli concept calls for the Boeing host aircraft to hurl the wingless Shavit 2 into its designated flight path. Sources here say the Israel Air Force aims to do this by pitching the carrier aircraft up to a steep acrobatic performance-style angle to put the space launch vehicle into its required trajectory.

    “On a technical level, it’s doable, but it wouldn’t be a comfortable ride in the aircraft at launch,” an Israeli space launch expert here said.

    Supporters of the so-called Boeing-boost concept concede myriad technical, operational and potentially diplomatic hurdles ahead, not least of which is how to make an emergency landing with a 31-ton, solid-fueled rocket aboard, assuming Israel could find a nation willing to authorize the landing.

Co do spadających stopni, jak się okazuje w grę nie wchodzi tylko Morze Śródziemne (edit - oczywiście, w wariancie konwencjonalnego startu z lądu):

    “Beyond the obvious cost savings involved, it will be a lot easier to explain this [the Boeing-boost concept] compared to a home-based launch of an entirely new ICBM-class [rocket] whose second stage could drop over Tunisia,” another Israeli space expert said.

Biorąc pod uwagę ograniczenia rakiet startujących z Palmachima, zysk na nośności i wyborze orbit jest więcej niż zauważalny:

    “It’s not simple, but it may be the best option,” said Tal Inbar, head of Israel’s Fisher Institute Space Research Center. Aside from allowing Israel to preserve its indigenous launching capability, the air-launched option imposes no limits on ultimate inclination of the satellite’s orbit and almost doubles the lifting capacity of the ground-launched Shavit 2, he said.

Ale trzeba by być może się też trochę "ucywilizować":

He noted that Israel would have to specify geographic safety zones and periods of time when the launch would likely take place, as well as places where the first two rocket stages would likely drop off. Such so-called notices to mariners and notices to airmen could be made over a period of days to account for last-minute glitches or bad weather.

I jest też informacja na temat masy przyszłych satelitów:

    And given a new Israel Air Force requirement for next-generation spy satellites weighing 700 kilograms — nearly double that of the current Ofeq series of spacecraft — Israel will have to reclaim every bit of lost lift capacity and then some, sources here said.

Źródło: http://www.spacenews.com/launch/110722-israel-airborne-launch-shavit.html

Hmm, Kanarkusie, doszedłeś w międzyczasie do czegoś ciekawego w kontekście stref upadku?

[Trafiony]

Swego czasu Boeing też rozważał odpalanie rakiety ze swojego 747, rakieta miała być zamocowana na grzbiecie i posiadać skrzydła, dające siłę nośną pozwalającą na prawidłowe oddzielenie od nosiciela. Miały one być odstrzelanie pięć sekund po zapłonie pierwszego stopnia (tj. Castor 120). Ale Izraelczycy są bardziej hardcorowi:

    Unlike the U.S. Pegasus rocket, which is dropped bomb-style from an L-1011 carrier aircraft and then maneuvers itself into its launch trajectory, the Israeli concept calls for the Boeing host aircraft to hurl the wingless Shavit 2 into its designated flight path. Sources here say the Israel Air Force aims to do this by pitching the carrier aircraft up to a steep acrobatic performance-style angle to put the space launch vehicle into its required trajectory.

    “On a technical level, it’s doable, but it wouldn’t be a comfortable ride in the aircraft at launch,” an Israeli space launch expert here said.

   

Swego czasu miesiącami analizowałem możliwość takiego powietrznego startu i nieco po amatorsku, ale chyba dobrze wyczaiłem jak to zrobić.
Jeżeli na grzbiecie samolotu (lepiej aby nie miał statecznika pionowego (zamiast tego krokodylki), albo miał stateczniki na końcach skrzydeł) umieścimy ciężką rakietę bez skrzydeł, to wydaje się możliwe bezpieczne jej "wystartowanie" przy pomocy pewnej ewolucji akrobatycznej, że tak po amatorsku to nazwę. Zakładam że rakieta zostanie "wystartowna" bez włączania jej silników, to nie jest potrzebne, a nawet nie jest wskazane. Samolot po osiągnięciu pożądanej wysokości włącza silniki pełną mocą, rozpędza się (najlepiej do 2 Ma  ) i przechodzi na wznoszenie (10, 20, 30 stopni, ile tam potrafi). Następnie zmniejsza moc silników i przechodzi na opadanie, tak aby skrzydła miały ujemny kąt natarcia, czyli siła nośna ujemna (skierowana w dół). Dokładniej chodzi o to, aby postępować według pewnej koncepcji, jak dalej. Zakładamy że ta ciężka rozpędzona rakieta lecąc swobodnie, czyli bez samolotu poruszałaby się po pewnej trajektorii, jakiejś balistycznej, jak wystrzelony pocisk. I do tej łatwej do policzenia trajektorii dostosowujemy trajektorię lotu samolotu. Chodzi o zminimalizowanie sił działających na łącznikach i przede wszystkim ewentualnych gwałtownych zachowań tuż po separacji. Bo można zaryzykować takie ustawienie parametrów, że będzie duża wypadkowa sił działających na rakietę w momencie separacji skierowana w górę. Czyli rakieta siłą inercji będzie ciągnąć samolot w górę. Ale wtedy jeżeli zwolnienie wszystkich zaczepów nie nastąpi idealnie równocześnie, może łatwo dojść do zderzenia rakiety i nosiciela i dalszych nieprzewidzianych "ewolucji". Później samolot delikatnie jeszcze zwiększa ujemny kąt natarcia swojego lotu i odchodzi stopniowo w dół. No i to w zasadzie wszystko. Dodam że założeni jest takie, że rakieta jest duża, ciężka i bez skrzydeł, i ma znacznie mniejsze siły aerodynamiczne przypadające na jednostkę jej masy, niż samolot. Co jest akurat plusem przy tym systemie, bo jest mało wrażliwa na ewentualne turbulencje wytwarzane przez samolot. No i w trakcie opisanej separacji będzie miała tendencję do "uciekania" od samolotu w górę i do przodu, samolot będzie mocniej hamowany przez atmosferę. Jak też będzie miał tendencję do odchodzenia w dół od rakiety lecącej po tej samej trajektorii, gdy będzie na ujemnym kącie natarcia takim że siła nośna będzie skierowana w dół. 

[jmvh]

Tylko gdzie znajdziesz samolot zdolny do wykonywania akrobacji z dziesiątkami ton na pokładzie? I jeszcze lotu z prędkością naddźwiękową? I co z nagłą zmianą aerodynamiki po oddzieleniu się rakiety od samolotu? Im większa rakieta tym na starcie z powietrza mniej skorzysta. Oczywiście, pewnie byłoby to wykonalne, nie mówię że nie, tylko to nie takie proste jak separacja konwencjonalnych stopni, a im więcej zawiera w sobie kombinowania tym mniej mi się podoba. Pomysł Izraelczyków też do mnie jakoś nie przemawia (tak jak napisali - trudne ale wykonalne). Choć ogólnie ten rodzaj asysty jest dobrym pomysłem. Poniżej kolizja D-21 i M-21:

[Air Q]

Poniżej kolizja D-21 i M-21:

Mimo wszystko trzy pierwsze separacje z M-21 (zmodyfikowany A-12) były udane. Dopiero czwarta zakończyła się katastrofą. Dlaczego? Podczas pierwszych separacji M-21 przechodził w lekki lot nurkowy co ułatwiało odłączenie D-21 i przejście do jego samodzielnego lotu. Jednak w warunkach militarnych taka operacja nie zawsze może być możliwe. Dlatego też w czwartym locie postanowiono odłączyć D-21 w locie poziomy. Po odłączeniu pojazd prawidłowo zaczął się oddalać jednak wkrótce napotkał fale uderzeniowe generowane przez M-21 i to zdestabilizowało jego lot. Załoga katapultowała się, jednak jedna z osób utonęła po lądowaniu w wodzie. Po tej tragedii próby z D-21 kontynuowano przez jakiś czas przy pomocy bombowca B-52.

[Trafiony]

Tylko gdzie znajdziesz samolot zdolny do wykonywania akrobacji z dziesiątkami ton na pokładzie? I jeszcze lotu z prędkością naddźwiękową?

Ta akrobacja nie musi być aż taka wyrafinowana, najpierw w górę, później w dół. Więc chyba do zrobienia na czymś takim dla przykładu.


A najlepszy byłby samolot specjalizowany, ale to nie prędko. Ale wtedy mamy uproszczoną konstrukcję, bo przecież nie potrzebujemy zabierać klasycznego ładunku w ładowni, czy bomb, czy załogi, wielu innych systemów. I nawet dużo paliwa nie potrzebujemy (jak się nie jest Izraelem). Typowa misja to najwyżej pół godziny lotu. Koszty jak w lotnictwie, mimo wszystko dużo mniejsze jak w astronautyce. Spokojnie można założyć tysiąc startów i lądowań, pełna reusybility.

I co z nagłą zmianą aerodynamiki po oddzieleniu się rakiety od samolotu? Im większa rakieta tym na starcie z powietrza mniej skorzysta. Oczywiście, pewnie byłoby to wykonalne, nie mówię że nie, tylko to nie takie proste jak separacja konwencjonalnych stopni, a im więcej zawiera w sobie kombinowania tym mniej mi się podoba. Pomysł Izraelczyków też do mnie jakoś nie przemawia (tak jak napisali - trudne ale wykonalne). Choć ogólnie ten rodzaj asysty jest dobrym pomysłem. Poniżej kolizja D-21 i M-21:

Nie wiem co ze zmianą aerodynamiki. Trzeba by poćwiczyć, trzeba nad tematem popracować. Zawsze na początku jest trudno, kiedyś też obecnie rutynowe operacje lotnicze były problemem. Ta operacja może być trudna, ale oszczędza innych problemów i kosztów.
Zresztą, co już pisałem, równie ciekawa a nawet bardziej, jest koncepcja powietrznego lądowania. O tyle łatwiejsza, że nosiciel przejmuje już pusty obiekt (bez paliwa), relatywnie lekki i nie grożący eksplozją. Ona też jest trudna, ale obiecuje jeszcze więcej korzyści, gdyby udało się opanować sztukę niezawodnego jej przeprowadzania.
A ci co się strzaśli na tym filmie, to chyba obaj byli uskrzydleni. Wystarczyła większa turbulencja. No i sterowali ludzie, a  nie komputery. Czas reakcji człowieka to tak około 1 sekundy, a komputera ...? Tak pewnie około 1/100 sekundy.

[jmvh]

Mimo wszystko trzy pierwsze separacje z M-21 (zmodyfikowany A-12) były udane. Dopiero czwarta zakończyła się katastrofą. Dlaczego? Podczas pierwszych separacji M-21 przechodził w lekki lot nurkowy co ułatwiało odłączenie D-21 i przejście do jego samodzielnego lotu. Jednak w warunkach militarnych taka operacja nie zawsze może być możliwe. Dlatego też w czwartym locie postanowiono odłączyć D-21 w locie poziomy. Po odłączeniu pojazd prawidłowo zaczął się oddalać jednak wkrótce napotkał fale uderzeniowe generowane przez M-21 i to zdestabilizowało jego lot. Załoga katapultowała się, jednak jedna z osób utonęła po lądowaniu w wodzie. Po tej tragedii próby z D-21 kontynuowano przez jakiś czas przy pomocy bombowca B-52.

Projektowanie samolotów poddźwiękowych nie jest proste, konstrukcji naddźwiękowych trudne, a im większe prędkości osiągają tym bardziej przypomina to czyste szaleństwo (lecz niektórzy wymyślają airbreathery Mach 20 w ramach pierwszego stopnia). Nie da się zagwarantować na 100% prawidłowego odłączenia, pomimo udowodnienia przez wcześniejsze próby możliwości jego udanego przeprowadzenia. To nie jest takie oczywiste rozłączyć dwa obiekty, a podejrzewam, że jednak zaplanowali to ludzie naprawdę znający się na rzeczy. W programie komercyjnym taki wypadek oznaczał by z dużym prawdopodobieństwem jego koniec. Notabene, z tego pamiętam Pegazusa początkowo tez chcieli wypuszczać przy sporych prędkościach, nikt z odpowiednim nosicielem jednak nie chciał im na to pozwolić.

W normalnych lotach trajektoria każdej misji jest inna, ciekawe z kolei jaki przedział do manewrowania zostawił by tego typu samolot.

Spokojnie można założyć tysiąc startów i lądowań, pełna reusybility.

Można. Ale czy budowa dużego samolotu o pokaźnych osiągach jest ekonomicznie uzasadniona przy jednym starcie na 10-18 miesięcy? Moim zdaniem nie.

Nie wiem co ze zmianą aerodynamiki. Trzeba by poćwiczyć, trzeba nad tematem popracować. Zawsze na początku jest trudno, kiedyś też obecnie rutynowe operacje lotnicze były problemem. Ta operacja może być trudna, ale oszczędza innych problemów i kosztów.
Zresztą, co już pisałem, równie ciekawa a nawet bardziej, jest koncepcja powietrznego lądowania. O tyle łatwiejsza, że nosiciel przejmuje już pusty obiekt (bez paliwa), relatywnie lekki i nie grożący eksplozją. Ona też jest trudna, ale obiecuje jeszcze więcej korzyści, gdyby udało się opanować sztukę niezawodnego jej przeprowadzania.
A ci co się strzaśli na tym filmie, to chyba obaj byli uskrzydleni. Wystarczyła większa turbulencja. No i sterowali ludzie, a  nie komputery. Czas reakcji człowieka to tak około 1 sekundy, a komputera ...? Tak pewnie około 1/100 sekundy.

Nie mówię, że ten film to dowód wadliwość tej idei czy coś. To jest po prostu trudne, jak widać niebezpieczne ale też zapewne wykonalne. IMHO, przy tym podejściu po prostu koszty jakie włożono w zaprojektowanie systemu i późniejsze jego utrzymanie będzie bardzo ciężko odzyskać. Popatrzmy na rynek małych satelitów na LEO, z wyłączeniem rządowych (czyli np. Minotaura), nie ma dużo miejsca i dużo kasy, a z takim rynkiem musielibyśmy się liczyć. I konkurować z istniejącymi systemami.

A powietrzne lądowanie, wypowiadać się nie będę.

[Trafiony]

Trzeba zrobić gumową rakietę  , na początek ważącą pół tony albo tonę. Taką ze zmielonych opon samochodowych i sklejoną (przez wtłoczenie do formy, nie znam się na tym) słabym klejem, aby rozpadała się przy silniejszym uderzeniu. No i samolot naddźwiękowy od wojska odkupić, taki stary, oni wciąż wycofują, sprzedają za grosze.
No i już można ćwiczyć różne elementy. Zbudować automatycznego pilota, zabudować na samolocie mechanizm utrzymania i separacji rakiety, wymodelować tę separację i stworzyć odpowiednie oprogramowanie. No i nad jakimś poligonem próbować, najpierw przy poddźwiękowych. Kosztowałoby to mniej niż wyniesie nas roczna składaka do ESA po uzyskaniu pełnego członkostwa. Tak sobie marzę, bo wiem że nie ma pogody dla polskich innowacji. Ale kto wie. Pomarzyć można.
Rakieta może być też zrobiona z aluminiowej rury o cieniutkich ściankach wypełnionej wodą. Ale mam dzisiaj pomysły.

[jmvh]

Szlak to trafi od samego przejścia do naddźwiękowej, o przyśpieszeniu do mach 2-3 nie wspomnę. Wtedy się spali.

[Trafiony]

Szlak to trafi od samego przejścia do naddźwiękowej, o przyśpieszeniu do mach 2-3 nie wspomnę. Wtedy się spali.

No i mamy problem. Ale to właśnie ma temu służyć, aby poćwiczyć jak to robić, posprawdzać różne elementy, a wszystko tanim kosztem.

[Trafiony]

Może jednak ten mój ulubiony "start powietrzny" ma przyszłość. Bez lęku wzięli się za niego Rumuni. I nawet budują specjalnie do tego celu przeznaczony samolot. I jeszcze zakładają separację przy prędkości naddźwiękowej. Początkowo gdy o tym czytałem, pomyślałem że to jakiś żart primaaprilisowy.
http://www.kosmonauta.net/index.php/Przyszlosc/Sektor-prywatny/2011-09-19-arca.html

Tu jeszcze z ich strony.
https://www.arcaspace.com/en/iar_111.htm

[jmvh]

Na sąsiednim forum zapostowano linka do kolejnej firmy kombinującej w ten sposób - Generation Orbit. Mowa jest o dwóch rakietach:
 - GO1 - demonstrator, używający raczej istniejących silników stałopędnych, o nośności w granicach 1-10 kg na kołowe LEO o H=250 km;
 - GO2 - operacyjny system o nośności 20-30 kg na kołowe LEO o H=450 km.

I tak najciekawsze są renderki (zupełnie jakby amerykański prezydent zakomunikował nam jakąś kolejną nową wizję...), przy czym ostatni skojarzył mi się z:

Wydaje mi się jednak, że jeśli jakiś system miałby być wprowadzony, to największe szanse ma coś przejściowego pomiędzy wariantem 2 a 3 - czyli samolot pasażerski, ale z mniejszą rakietą, wynoszącą np 50-100 kg na orbitę. Wtedy można by skorzystać z mniejszego (i jeszcze tańszego w obsłudze) samolotu pasażerskiego, jak np Buginga 737 albo AirŁobuza A320. A tych na rynku sporo...

Gulfstream III to nie zupełnie to, ale coś jakby w ten deseń.

[kanarkusmaximus]

Bardzo ciekawy pomysł, choć zastanawiam się nad "skalowalnością" systemów pomiędzy tym GO1 a GO2. Wydaje mi się, że mogą być pewne problemy, aby rozwiązanie pomiędzy jednym a drugim udało się przenieść. Koszty obsługi GO1 też mogą być duże - może i większe niż owego GO2.

[jmvh]

Dotychczas rzucili kilka obrazków i parę akapitów ogólnikowego tekstu, więc ciężko tu mówić o rozwiązaniach i systemach oraz ich skalowalności. Jednak jeśli chodzi o samolot wcale nie musi być konieczne ponoszenie jego kosztów zakupu a może i też eksplantacji na początku - kto wie czemu Pegasus ma praktycznie taką samą rozpiętość skrzydeł co X-15? W USA jest też trochę samolotów a'la mysliwiec posiadanych przez różne podmioty cywilne, np. Google (z NASA i Vernem w tle!) czy znalezione przed chwilą na potrzeby tego postu Collings Foundation, na stronie której widnieje figura ponad 9000 $ za godzinę operowania F-4 (z pierwszej grafiki). Więc jak nie z NASA, nie z USAF to może dało by się dogadać z innymi "prywaciarzami".

Btw. Ma może ktoś jakieś konkretne dane typu cena używki, koszt utrzymania, etc. dla różnych maszyn? Będę musiał poszukać.

[Trafiony]

jmhw

Godzina lotu samolotów wielozadaniowych 4 generacji, to zakres gdzieś 15-20 tys. $. Takie dane gdzieś widziałem kilka lat temu, czyli one są. Jak pamiętam godzina lotu dla Mig-29 była najwyższa, 22 tys. $. Ale tam nie było chyba SU-27, on chyba trochę droższy, bo większy - ale bierze 8 ton uzbrojenia. Jakby pod nim zmieścić rakietę o wadze 8 ton, i jakby to dało się odpalić przy prędkości 2 Ma na wysokości 15 kilometrów, to byłoby już ciekawie. 
Jakieś 8 lat temu w Seceminie widziałem stał na zagrodzie Mig-21. Ten co go kupił, to zdaje się był kamieniarz co nagrobki robi. Miał kasę i kupił, podobno za 20 tys. zł. Tam oczywiście działka zostały wymontowane, ale silniki chyba nie. Więc to chyba nie problem kupić za grosze przechodzoną maszynę, nawet w Polsce. Systemy bojowe można wymontować jako zbędne, odpada od razu kwestia utrzymania ich w gotowości. To nie musi być drogie tak bardzo.
A niedługo jak myślę pojawi się na rynku mnóstwo starszych modeli SU-27, jako już bezwartościowych bojowo.