¿Qué barreras existen para crear un trineo de cohetes reutilizable? [duplicar]

En pocas palabras, presión dinámica . También existen otras limitaciones serias, pero esta es la más difícil de superar. Digamos, a 10 km de altitud, la presión atmosférica sigue siendo un poco más de un cuarto de la presión atmosférica al nivel medio del mar. Un vehículo de lanzamiento convencional a esa altitud solo habrá alcanzado una velocidad de aproximadamente 850 km/h y permanecerá subsónico. A medida que aumenta gradualmente la velocidad y sale de la atmósfera más densa, alcanzará Max-Q (presión dinámica máxima) a una altitud de unos 40 kilómetros a una velocidad de 900 m/s (3240 km/h). Aquí hay un ejemplo de Douglas T. Jackson para el lanzamiento de un transbordador espacial:

   ^{Variación en la densidad del aire (ρ), la velocidad (V), la altitud (h) y la presión dinámica (q) durante el lanzamiento de un transbordador espacial. fuente _}

Ahora, seamos perfectamente claros aquí, que otros vehículos de lanzamiento tendrán diferentes perfiles de ascenso, pero todos habrían alcanzado solo una pequeña fracción de la velocidad orbital a una altitud de 10 km, que es probablemente un poco más alta de lo que podría esperar como una altitud de lanzamiento de un sistema de asistencia de lanzamiento de trineo de cohetes. La velocidad orbital es de aproximadamente 7,6 km/s (¡eso es por segundo!), y nuestro transbordador espacial ha alcanzado a una altitud de 10 km solo aproximadamente el 3% de eso, pero ya está experimentando aprox. 70% de la presión dinámica máxima de su perfil de vuelo.

Entonces, si queremos liberar nuestro vehículo de lanzamiento desde la rampa a una velocidad mucho mayor, tenemos un pequeño problema aquí, y es así:

$$q = \tfrac12\, \rho\, v^{2}$$

Dónde$q$es la presión dinámica en pascales,$\rho$es la densidad del fluido en kg/m ³ , y$v$es la velocidad del fluido en m/s.

Puedes ver que es bastante similar a la fórmula de la energía cinética y, al igual que ella, cambia exponencialmente con la velocidad.$v$. Entonces, si asumimos lo mismo$\rho$, y solo queremos duplicar la velocidad de nuestros vehículos en la altitud de lanzamiento, hemos duplicado la presión dinámica del punto de lanzamiento que tiene que soportar. O aumentarlo 4,5 veces si queremos triplicar la velocidad de liberación. O lo empeoró 8 veces al cuadruplicar la velocidad de liberación, y así sucesivamente. Básicamente, para cada$n$aumento en la velocidad de lanzamiento, tenemos$n^2/2$tanta presión para soportar.

Y con 5 veces la velocidad a 10 km de altitud y 12,5 veces la presión dinámica (casi 9 veces el Max-Q del transbordador espacial), apenas hemos alcanzado un buen tercio de la velocidad orbital, todavía tenemos algo de gravedad atmosférica y arrastre para vencer, para lo cual nuestro vehículo liberado requerirá propulsión propia. También experimentará más calentamiento por fricción, vibración acústica por el efecto suelo y alcanzará Mach 1 si se lanza desde un tubo sin vacío, o una fuerte barrera de choque si se lanza desde un tubo con vacío una vez que sale de él.

También tendrá que tolerar fuerzas laterales mucho más fuertes que un vehículo lanzado verticalmente, por lo que su construcción tendrá que ser mucho, mucho más fuerte. Todo eso eventualmente lo hará más pesado y tendrá una relación de masa húmeda a seca mucho más baja , y tendrá mayores dificultades para alcanzar la velocidad orbital desde el punto de lanzamiento, donde todavía está sujeto a la tiranía de la ecuación del cohete . Los cohetes convencionales lanzados verticalmente son realmente muy elegantes cuando se trata de manejar potencia extrema en pequeños incrementos de tensión en el vehículo y donde puede tolerarlos mejor. Pierdes algo de esa elegancia una vez que disparas como una bala . Estallará y, muy probablemente, su vehículo lo acompañará.

Sin embargo, quedan pocos de estos problemas si construyes una rampa de lanzamiento de este tipo en cuerpos sin atmósfera, como por ejemplo en la Luna.