Lanzamiento de un cohete desde un globo meteorológico para una carga útil muy pequeña

Tienes la idea correcta. Para cargas útiles muy pequeñas lanzadas por cohetes muy pequeños, se vuelve cada vez más atractivo llevar el cohete por encima de la atmósfera tanto como sea posible.

Y está en buena compañía, Space Ship Two de Virgin Galactic , Pegasus de Orbital ATK y Stratolaunch de Scaled Composites son todas plataformas de lanzamiento aéreo actuales o futuras. Por cierto, el artículo de Wired Magazine sobre el cofundador de Microsoft, Paul Allen, fundó Stratolaunch y señala que será el avión más grande del mundo.

Hay varias respuestas útiles a la pregunta ¿Puede un Saturno V en miniatura llegar a la luna y regresar? y debería leerlos todos, pero resumiré los problemas como arrastre aerodinámico y "arrastre por gravedad", y solo diga aquí que a medida que reduce el tamaño de un cohete, el empuje disminuye más rápido que el arrastre. Esto termina requiriendo que el cohete acelere más lentamente en la parte densa de la atmósfera para disminuir la resistencia, lo que provoca una penalización secundaria de "resistencia a la gravedad", la fracción del empuje que se necesita para evitar que el cohete vuelva a caer a la Tierra. . Es un poco como tener que pisar constantemente el pedal de una bicicleta para evitar rodar hacia atrás por una colina, excepto que los cohetes tienen que empujar gastando un empuje activo porque no tocan el suelo.

Esta es la razón por la cual los cohetes pequeños tienden a ser muy largos y delgados , para acumular más empuje detrás de ellos y minimizar el área. Esto solo funciona hasta cierto punto porque los lados del cohete también generan resistencia; de lo contrario, tendríamos cohetes de aguja ridículamente largos y delgados.

Entonces, para una carga útil de 500 o 100 gramos y un cohete pequeño (que parece que podría ser asequible hasta que haga los números), ¡sobrevolar el aire es una gran idea!

El gran problema es que cuando haces cohetes más pequeños, terminas haciendo otros compromisos al hacerlo más barato y simple. Esto significa que el rendimiento es menor. No será un "mini Saturn-V". Este comentario de @Deimophobia enlaza con el análisis realizado por Dorin Patru, Jeffrey D. Kozak y Robert J. Bowman en el Instituto de Tecnología de Rochester, y presentado en la vigésima conferencia anual AIAA/USU sobre satélites pequeños como un sistema de lanzamiento personalizado para Satélites de menos de 1 kg .

La velocidad orbital LEO, es decir, 200-300 km, es$v_{LEO}$= 7600 m/s. Un total$\Delta v_{LOSS}$de 1600 m/s, debido a (1) la pérdida atmosférica de empuje, (2) la pérdida por arrastre, (3) la pérdida por gravedad y (4) la tolerancia de la ventana de maniobra y lanzamiento. Las pérdidas de empuje atmosférico y arrastre serán mucho menores en comparación con un lanzamiento a nivel del mar, debido a la gran altitud de todo el vuelo propulsado.

También terminas haciéndolo relativamente más pesado. ¿Que significa eso? Un gran cohete de muy alto rendimiento puede tener más del 90% de su masa como propulsor puro. Creo que el récord es 94% o 95%, pero sigo buscando una fuente. Pero cuando construyes un cohete pequeño, esto se vuelve realmente difícil. Hacer que todos los componentes estructurales, los contenedores y el motor sean pequeños y livianos se convierte en un verdadero desafío, y eso significa materiales costosos y técnicas de fabricación que no están disponibles para los aficionados. El trabajo de RIT explica que la etapa de prueba que construyeron nunca apuntó a la "proporción de masa de estructura a propulsor de 1/10", ya que era para pruebas en tierra. Esto habría sido aún más difícil.

Muestran que para un cohete de menor escala, usar un híbrido bastante seguro$I_{SP} = 230 \text{s}$diseño de motor que aún está mucho más allá del "nivel de aficionado", necesitará al menos $ 100,000, un equipo de personas, algunos equipos de radio y aproximadamente 200 kg, cohete de cuatro etapas para poner 1 kg en LEO.

Los cohetes con capacidad espacial son mucho más difíciles y costosos de fabricar que los cohetes de pasatiempo, como lo ilustra la comparación del motor en esta respuesta .

También debe presentar varios documentos y recibir la aprobación de algunas agencias gubernamentales serias.

El mismo cohete tendría que ser mucho más grande para lanzarlo desde la Tierra, supongo que de 500 a 1000 kg, pero el punto es que todavía no será un "cohete de pasatiempo" para llegar a la órbita desde un globo. Todavía es un desafío bastante técnico, y si puedes construir este tipo de cohete desafiante, entonces cuando te enfrentas a la elección de las molestias del globo versus simplemente hacer que el cohete sea más grande, hacer crecer el cohete se vuelve cada vez más atractivo.

Si desea obtener más información sobre el documento RIT, deje un comentario y ampliaré la discusión.

a continuación: Capturas de pantalla de Un sistema de lanzamiento personalizado para satélites de menos de 1 kg .

El uso de un globo para elevar su ubicación de lanzamiento solo será realmente beneficioso para poner en órbita pequeñas cargas útiles donde el cohete de lanzamiento sufriría pérdidas aerodinámicas significativas.

Como se indica en la página 7 de esta biografía de James van Allen , el rockoon (combinación de globo/cohete) se introdujo porque permitía alcanzar altitudes elevadas con cargas útiles pequeñas pero útiles a muy bajo costo.

A diferencia de un cohete de sondeo donde el objetivo principal es alcanzar la máxima altitud posible volando más o menos hacia arriba y hacia abajo, un lanzamiento orbital requiere un gran cambio en la velocidad angular alrededor del centro de masa desde el que se lanza: la Tierra, en el caso de todos los lectores humanos actuales de estas páginas.

Su plataforma de lanzamiento de globos podría ayudarlo a superar la mayor parte de la resistencia aerodinámica en su viaje a la órbita, pero la mayoría de los cohetes (más grandes) gastan mucho más combustible luchando contra la gravedad que empujando el aire fuera del camino. Sin embargo, a medida que su cohete se vuelve más pequeño, la resistencia atmosférica se convierte en un factor cada vez más importante, hasta que comienza a llegar al límite de cuán pequeño puede hacer un lanzador orbital .