¿Qué beneficios se pueden obtener del lanzamiento bajo tierra?

Esto es esencialmente un lanzamiento de pistón; en principio, un orificio lo suficientemente profundo podría permitir que el pistón alcance velocidades cercanas a la velocidad del sonido en el gas en expansión que impulsa el pistón.

Suponiendo que está limitado a 6 g por la fuerza de la estructura del cohete y el aire ordinario como medio impulsor, necesita un pistón de un kilómetro de profundidad y acelera a mach 1 (~ 340 m / s) en 6 segundos. Eso le ahorra alrededor del 4% del delta-v total que necesita para alcanzar LEO, o alrededor del 10% de una contribución típica de primera etapa.

No está hecho porque diseñar un pistón del tamaño de un cohete y de un kilómetro de profundidad es una tarea bastante gigantesca, y es más fácil simplemente hacer que la primera etapa de su lanzador sea un poco más grande.

Como señala Henry Spencer en esta publicación en yarchive :

Muchos esquemas de lanzamiento novedosos necesitan cierta cantidad de ayuda de los cohetes. Lo que mata a muchos de ellos es hacer un estudio de compensación de simplemente agrandar la parte del cohete y deshacerse de la parte que no es del cohete. Sorprendentemente a menudo, eso resulta ser mejor y más barato.

Tenga en cuenta que para los misiles lanzados desde silo, el escape generalmente se ventila fuera del silo en lugar de servir para presurizar el silo.

¿Por qué están ventilados?

Un silo sin ventilación aumentaría enormemente la presión ambiental en la que los motores se están agotando con la pérdida de empuje asociada, la posible separación del flujo, etc. No desea hacer funcionar su motor en una cámara presurizada. Vea esta respuesta para las ecuaciones: ¿Cuánta eficiencia se pierde de una boquilla De Laval fija cuando se modifica para uso atmosférico?

No hubo ahorros apreciables de combustible desde el lanzamiento del silo. Se hizo para proteger el misil del ataque enemigo.

¿Qué beneficios se pueden obtener?

En cuanto a la energía, no tanto. Básicamente estás hablando de una variante de una primera etapa, pero que solo ayuda durante los primeros segundos.

Sin embargo, un beneficio real podría ser la mayor capacidad para despegar en condiciones climáticas relativamente adversas. Los vientos son más un problema a bajas velocidades. Entonces, si rompe el nivel de la superficie yendo lo suficientemente rápido, puede lanzar a velocidades de viento más altas.

No es realmente el viento en sí mismo lo que hace que un lanzamiento sea problemático. El problema es que la superficie de la tierra frena el viento. Esto significa que obtienes un perfil de viento dependiente de la altitud. Cuanto más alto, más viento encuentras. Esto cae sobre el cohete.

Beneficios:

1. se necesita menos combustible para alcanzar la órbita

Problemas:

1. Para obtener suficiente velocidad, necesita una pista larga = un eje profundo. 3 km es aproximadamente el límite práctico.
2. Para llevar el cohete (digamos que pesa 550 toneladas, el peso inicial de un Falcon 9) a una velocidad utilizable en solo 3 km de recorrido, se necesita mucha potencia. El F9 utiliza 9 motores Merlin para acelerar desde la plataforma, por lo que la cantidad de potencia que necesita: Falcon 9 FT: 7607 kN (1 710 000 lbf) de empuje en el despegue.

El motor a reacción RR Trent 800 está disponible como motor de avión o como motor. Produce 36 MW de potencia en el eje o 80 klbf/360 kN de empuje. Usando esa conversión como atajo, necesita 21 de estos motores para proporcionar tanta potencia como el F9 en el despegue, o 760 MW para levantar el cohete con su plataforma al mismo ritmo de aceleración que un F9 saliendo de la plataforma. Los motores lineales capaces de manejar 760 MW serán enormes (cuenten con unos pocos cientos de toneladas), sin mencionar las líneas eléctricas necesarias para transportar tanta energía. 760 MW equivalen a 30 trenes TGV.

3. Tienes que frenar la plataforma desde la mitad del eje para evitar que salga disparada (con unos pocos cientos de toneladas, no hay forma de que pueda hacer un aterrizaje suave). Eso reduce a la mitad la velocidad que puede alcanzar.

4. pierde la capacidad de arrancar los motores y probarlos antes del lanzamiento. Cualquier mal funcionamiento al encender los motores provocará un choque y la pérdida de la misión. No puedes encender los motores mientras todavía estás en el túnel. No querrás que el escape del cohete explote por los lados del cohete.

Si desea mover el pistón mediante gas comprimido, ¿cuánto gas necesita?

• supongamos 550 toneladas de cohete más 50 toneladas de pistón
• diámetro del pistón 5 m, área 19,6 m ³
• pozo de 1 km de profundidad (tomando prestado de la respuesta de Russell)
• presión necesaria para levantarlo del suelo: 600.000/19600 = 30 kg/dm ² (30 bar)
• cantidad de gas necesaria para llenar un pozo de 1 km de profundidad a 30 bar: el peso específico del aire es 1,2 g/m ³ , el pozo contiene 19600 m ³ x 30 bar es 705 toneladas de aire.

Entonces, si quiere hacer esto, necesita 705 toneladas de escape de cohete a 30 bar para llenar el pozo. Eso es más de lo que usa la primera etapa del F9 para toda su quema, por lo que en lugar de ahorrar combustible, está usando más. También cambió hacer el cohete un 10% más pequeño (un ahorro insignificante, solo está ahorrando una sección de barril de aluminio al acortar un poco los tanques) por tener que construir y mantener un pozo de 1 km de profundidad con un sello hermético a los gases. entre el pistón y el eje.

Y este cálculo ignora algunos problemas:

• Cuando usa un cohete para generar este gas, el gas se enfría a medida que sale del motor del cohete, lo que reduce su presión.
• Los motores de cohetes se vuelven ineficientes cuando tienen que funcionar contra una alta presión de escape.
• Ignoré que el gas necesita acelerar el pistón y el cohete, la presión que calculé solo mantiene el pistón del suelo sin acelerarlo.

Por lo tanto, tanto la energía eléctrica como la neumática para mover el pistón no son factibles.

No lo haría sobre una base química, sino más bien sobre una base electromagnética como el Sistema de lanzamiento de aeronaves electromagnéticas (EALS) que se introduce actualmente en los nuevos portaaviones de la clase Gerald R. Ford. Esto es exactamente lo que querrías.

Me vienen a la mente dos cuestiones con respecto a esta técnica:

• Primero, necesitaría un almacenamiento gigantesco de energía eléctrica que pudiera entregar la electricidad almacenada en fracciones de segundo. Esta sería una tarea enorme, especialmente porque los cohetes son mucho más pesados ​​que los aviones de combate.
• Incluso si superas el problema de ingeniería, aún estarías limitado por la estabilidad del cohete y la resistencia en la atmósfera inferior. Si lo lanza demasiado rápido, el cohete se desintegrará o se quemará en la atmósfera. Como Russell Borogove ya indicó en su respuesta, estará limitado a aproximadamente 6 g, lo que no dará mucha ventaja con respecto a delta-v. Podrías hacer que el cohete sea más resistente, pero esto a cambio aumentaría el peso y, por lo tanto, contrarrestaría tu intención.

Como nadie más ha incluido esto en su respuesta todavía:

¿Qué beneficios se pueden obtener del lanzamiento bajo tierra?

Secreto sobre exactamente qué cohete hay allí, qué tiene encima y su estado de preparación para el lanzamiento. El mantenimiento también se puede realizar sin una fácil detección por observación. Esto es importante para los misiles balísticos intercontinentales, cuyo efecto disuasorio depende en cierta medida del principio del panóptico , según el cual un adversario cree que podría estar listo para el lanzamiento en cualquier momento sin saber realmente si lo está o no en un momento determinado. Cuando los cohetes no están listos para el lanzamiento, pero están bajo tierra, esta debilidad en el sistema no necesariamente se expone de una manera que un observador pueda identificar y aprovechar. Esto permite que el mantenedor sea un poco más flexible en la programación de reparaciones, etc.

Además, si el comandante del cohete está probando la instalación de alguna carga útil nueva/mejorada, el silo subterráneo les permite ser estratégicos sobre si/cuándo revelar esta información a un adversario potencial.