¿Qué haría factible el lanzamiento de un trineo de cohetes?

Wikipedia presenta la idea de un Rocket Sled Launch (también lanzamiento de catapulta, lanzamiento en rampa, etc.) de la siguiente manera:

Con este concepto, el vehículo de lanzamiento está sostenido por un riel que apunta hacia el este o una pista de levitación magnética que sube por la ladera de una montaña mientras se usa una fuerza externa para acelerar el vehículo de lanzamiento a una velocidad determinada. El uso de una fuerza aplicada externamente para la aceleración inicial reduce el propulsor que el vehículo de lanzamiento necesita transportar para alcanzar la órbita. Esto permite que el vehículo de lanzamiento lleve una carga útil más grande y reduce el costo de llegar a la órbita. Cuando la cantidad de velocidad añadida al vehículo de lanzamiento por el acelerador de tierra es lo suficientemente grande, se hace posible el vuelo a órbita de una sola etapa con un vehículo de lanzamiento reutilizable.

La idea se ha utilizado en la ficción varias veces, pero que yo sepa, nadie está siquiera discutiendo la construcción de uno. En estos días de SpaceX y sus competidores , esperaría que alguien hablara de eso si fuera factible, así que asumo que actualmente no lo es.

Incluso si un lanzamiento directo a la órbita desde el trineo no es factible, creo que esta sería una forma eficiente de llevar un cohete normal a la atmósfera superior a una velocidad significativa, en lugar de comenzar desde el suelo. El cohete entonces podría empujar la carga útil el resto del camino a la órbita con mucho menos combustible del que necesitaría uno tradicional.

¿Qué obstáculos tendría que superar un sistema como este para ser considerado? ¿Es una cuestión de ubicación? ¿Ingeniería de materiales? ¿Simplemente financiera? ¿Ha habido incluso estudios de viabilidad?

Atmósfera. Respira y sabrás cuál es el problema. Tienes que usar los músculos para reemplazar solo un litro más o menos de aire. La velocidad orbital es de unos 8 km/s. ¿Cuántos "mach" son esos? 25? ¿Qué tan rápido propones que algo pasaría de cero a 25 mach? Podrías decir "¡Agua! Todos necesitan agua, carga útil de lanzamiento insensible" Pero incluso el agua se quemaría a 25 mach. Es como disparar un arma (o un tren) a una montaña. Los cohetes convencionales evitan amablemente ese problema al ascender lentamente a través de las partes densas de la atmósfera. ¡Aunque el trineo podría ser una gran idea en la Luna sin aire!
También necesitaría una etapa superior para circularizar su órbita.
@LocalFluff & Erik - Ambos tienen razón - Omití parte de mi pregunta. Nunca tuve la intención de proponer un trineo directo a la órbita, solo usar el trineo para acercar el cohete a la órbita, en lugar de hacerlo desde el suelo.
Creo que los motores a reacción que respiran aire ya pueden "acercarse a la órbita". Aún así, solo alrededor de 1 km/s a 20 km de altitud. Muy lejos de los 8 km/s necesarios para estar en la órbita más baja de unos 300 km de altitud. La aceleración en el suelo no parece atractiva. A menos que sea en un mundo sin aire como la Luna o algún asteroide. Pero el esfuerzo de construir rieles pesados ​​allí lo pone fuera de nuestras vidas. Y para entonces se habrá pensado en algo mejor.
Dichos conceptos se han propuesto constantemente en varias formas y formas, algunos incluso considerados seriamente por la NASA et al. Desde, digamos, el vehículo de lanzamiento Argus con asistencia de lanzamiento de maglifter hasta cualquier número más reciente de conceptos de asistencia de lanzamiento basados ​​en tierra que se abrieron paso en la hoja de ruta de tecnología integrada de la NASA. Y creo que algo de esto se discutió durante los últimos simposios de Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA. Habría que revisar.
@LocalFluff: Por otro lado, la energía necesaria para acelerar su vehículo para catapultar la velocidad de salida no tiene masa, por lo que podría ahorrar un poco WRT en la ecuación del cohete. ¿Cuánto de, digamos, la masa de un Saturno V se usó para que todo alcanzara las 500 mph más o menos?
Un trineo de cohetes tiene la mayoría de los mismos problemas que un arma espacial, consulte space.stackexchange.com/questions/2370/…
@Hobbes - Interesante. Veo las similitudes allí. Definitivamente no es lo mismo, pero similar.
Necesita un cuerpo sin aire y no haremos grandes construcciones en el espacio en varias décadas. Para entonces, se podría haber desarrollado un mejor concepto de lanzamiento (como primeras etapas reutilizables), por lo que es muy posible que nunca suceda. ¿Pero tal vez el problema de la atmósfera se pueda resolver como se prueba con torpedos supercavitantes hoy en día, para lograr una velocidad supersónica bajo el agua?
Por cierto, el transbordador espacial planeado Skylon de una sola etapa para orbitar no iría más rápido que mach 5 en la atmósfera, probablemente por buenas razones. El aire que ingresa a su motor de respiración de aire tendría una temperatura de 1000 grados y la tecnología de enfriamiento en 1/100 de segundo fue un avance crucial recientemente después de 30 años. Si les pide que lo rehagan varias veces a una velocidad mayor, no creo que les entusiasme.
@LocalFluff: tengo el mismo problema con su comentario que con la respuesta de Loren. Tal vez solo estoy pasando por alto algo que todos creen que es obvio, pero los cohetes de hoy se ocupan de cada uno de los problemas que han planteado. ¿Cómo reemplaza la primera etapa de un cohete de etapas múltiples con una rampa que alcanza una altura equivalente y reemplaza la necesidad de llevar su propio combustible con la necesidad de proporcionar suficiente energía externa (que aún podría estar basada en cohetes, simplemente conectada al trineo) causa mucha más dificultad con la física?
No, los lanzadores convencionales no tienen ese problema. Cuanto más densa es la atmósfera, más lento se mueve. Saturno V se movió a unos 500 m/s (creo) cuando la "presión dinámica" estaba en su punto máximo, y aumenta con la velocidad al cuadrado. Un trineo debe lanzarse a una velocidad orbital de 8000 m/s, lo que al cuadrado da una presión 256 veces mayor, más lo que sea necesario para compensar la resistencia del aire, más el efecto de atravesar la alta densidad del aire a baja altura. Una carga útil de trineo debe preocuparse por cómo no derretirse y no destruir el riel con la onda expansiva del explosivo primer contacto con el aire.
La carga útil debe mover algo así como 10 toneladas de aire durante el primer segundo, acelerarlo a mach 10+.
@LocalFluff - ¿Por qué 8000? No estoy hablando de una honda sin motor en órbita, como tampoco los cohetes actuales se ponen en órbita en una sola etapa. Subes en trineo hasta la cima de la montaña y luego continúas con la potencia de un cohete autónomo.
Uno todavía quiere moverse lentamente a través de la atmósfera inferior. El coste del raíl y su rigidez en cuanto a las órbitas permitidas, es difícil de motivar por las bajas velocidades prácticamente permitidas (quizás el 25% de la velocidad orbital de 8.000 km/s que finalmente hay que conseguir. Si SpaceX baja a 1.000 dólares por kilogramo lanzado al reutilizar la primera etapa del F9R, se vuelve muy difícil competir. Lanzar desde un avión o globo suena como una mejor idea, pero eso también tiene grandes problemas. Por cierto, la prueba del trineo de cohetes del LDSD , solo a mach 2 .
@LocalFluff: esos son los primeros argumentos reales en contra que he visto, y la inflexibilidad de la órbita es realmente buena. Si desea expandirlos en una respuesta completa comparándolos con los costos y la flexibilidad de la primera etapa del lanzamiento de un cohete, lo aceptaré.

Respuestas (3)

La principal barrera para hacer un lanzamiento de trineo de cohetes rentable es la atmósfera. Es una gran barrera para hacer un lanzamiento de trineo de cohetes rentable por varias razones:

  1. La resistencia atmosférica a altitudes terrestres reduce la efectividad de aumentar la velocidad en una pista terrestre.
  2. Las tensiones de mover un cohete a través de la atmósfera a velocidades más altas requieren estructuras de cohetes más fuertes que son necesariamente más pesadas.
  3. Alcanzar altitudes por encima de las cimas de las montañas es un gran desafío para la ingeniería y la ciencia de los materiales.

Un ejemplo es si construyó una pista en el monte Denali, podría llegar fácilmente a 700 m/s con solo 3 g si comenzara horizontalmente antes de ascender desde la base de la montaña. El problema es que esa montaña está solo a una altitud de 6,2 km (20 300 pies). Incluso si llegaras a 700 m/s en la cima del monte Everest, solo estarías a 8,84 km (29 000 pies). En comparación con el lanzamiento de un transbordador, a 8,84 km, el transbordador se mueve a unos 230 m/s (~750 pies/s), por lo que 700 m/s sería aproximadamente 3 veces más rápido y tendría una resistencia aerodinámica de 4,5 veces mayor. mucho (por qué ver esta respuesta para un gráfico muy útil que muestra varias variables atmosféricas en el lanzamiento de un transbordador espacial: ¿Qué barreras existen para crear un trineo de cohetes reutilizable?). Esa resistencia adicional absorbería gran parte de la velocidad ganada a través del trineo y requeriría un cohete más pesado estructurado para soportar esa velocidad a esa altitud. No sé cómo estimar el costo adicional de combustible y el costo de construcción de un cohete más pesado, así que tendré que terminar ese pensamiento allí.

De manera similar, para alcanzar altitudes más altas donde la atmósfera representaría un problema menor, no sé cómo estimar la viabilidad de construir la estructura que se necesitaría para llegar mucho más alto que las montañas de la Tierra.

Pero digamos que no querías un cohete más fuerte y pesado, y solo querías alcanzar la velocidad que el transbordador suele alcanzar a gran altura. Me han dicho que la cantidad de combustible que se necesita para alcanzar la altura orbital es solo una pequeña fracción de la cantidad de combustible que se necesita para alcanzar la velocidad orbital (8 km/s), lo que significaría que no puedes ahorrar mucho combustible de un trineo de cohetes de montaña. Ciertamente ahorraría algo, pero posiblemente no mucho.

Y podría haber caminos más fáciles en este momento para ahorrar costos. El diseño de vehículos totalmente reutilizables podría ahorrar más dinero en los lanzamientos que las reducciones mínimas de combustible y estructura que podría generar un lanzamiento de trineo de cohetes. Además, un motor scramjet en funcionamiento podría usar aviones para llevar cohetes más allá de la atmósfera y alcanzar la velocidad orbital, lo que reemplazaría casi todo el combustible de cohetes necesario para llegar a LEO con combustible para aviones mucho más barato.

Entonces, en resumen, las barreras para los trineos de cohetes económicamente factibles son problemas que aún deben superarse en el diseño de lanzamientos de trineos de cohetes y alternativas más prometedoras.

Dicho todo lo anterior, dado que la atmósfera es la principal barrera, en cuerpos sin atmósfera como la luna, un trineo cohete es una opción mucho más atractiva.

Esta es la única respuesta que realmente aborda la pregunta real sobre un lanzamiento de montaña en ángulo. Podría mejorarse con algunos números reales, pero es lo suficientemente bueno como para aceptarlo (con retraso).

Hay dos limitaciones aquí, las cuales son serias:

1) Como dice LocalFluff, ambiente. Cualquier componente de velocidad de cualquier tipo de pista de lanzamiento será básicamente horizontal. Si estás en el vacío y la velocidad de lanzamiento es una buena parte de la velocidad orbital, esto sería algo bueno.

En la atmósfera, sin embargo, hay tres casos:

1a) Una velocidad de lanzamiento bastante baja, digamos Mach 1. El impulso de lanzamiento básicamente se desvanece en la resistencia. No ganaste nada pero perdiste mucha energía mientras tu cohete giraba de horizontal a vertical. (Algo que los cohetes no hacen bien).

1b) Una velocidad de lanzamiento media, digamos Mach 10. Las cosas empeoran aún más: necesita reforzar su cohete para manejar esto y aún sangrará la mayor parte de la velocidad para arrastrar.

1c) Una velocidad de lanzamiento muy alta, digamos Mach 40 (Sí, me doy cuenta de que está por encima de la velocidad orbital. Deberá estar muy por encima de la velocidad orbital para compensar las pérdidas por arrastre). Esto podría ser de alguna utilidad. Es solo para cargas útiles que pueden tolerar muchos gs, tanto por el lanzador como por la brutal desaceleración que ocurrirá cuando golpee la atmósfera. También necesitará una cápsula de lanzamiento robusta para hacer esto, pero puede ponerse en órbita solo por el costo de una quema de circularización. Si tiene suficiente carga de este tipo, podría tener sentido.

2) Tienes un gran problema con la fuerza de un cohete. Los cohetes normalmente se construyen como cáscaras de huevo: fuertes contra la carga prevista, muy débiles contra las fuerzas que no van a encontrar. Tendrá que reforzar sustancialmente su cohete para que pueda sobrevivir sentado allí en la cuna de lanzamiento antes de que alguien presione el botón.

Reforzar un cohete no es en realidad una construcción tan costosa, pero es un peso adicional, y la ecuación del cohete es realmente brutal. Cada libra extra que mantiene unido a su propulsor es una libra que sale de su carga útil. Solo desea ir a estos costos si hay un beneficio sustancial que se puede obtener.

No estoy seguro de qué tan aplicable es esta respuesta: se basa en un lanzamiento horizontal, y lo que yo (y la cita) estamos imaginando es uno en ángulo en la ladera de una montaña. Dependiendo de la montaña y la ingeniería de la rampa, debería poder obtener un componente vertical significativo. Además, debe equilibrar el peso adicional con el combustible que no necesita llevar... pero no puede deshacerse del peso. No sé cómo se equilibra eso.
@Bobson Si obtiene un componente vertical sustancial al subir la ladera de una montaña, está hablando de aceleraciones mucho más allá de lo que un humano puede sobrevivir. En ese momento, también podría ir con mi caso 1c.
Tal vez me estoy perdiendo algo, pero todavía no te sigo. ¿Por qué la aceleración necesitaría ser significativamente mayor que la de un cohete tradicional? ¿Simplemente para compensar el hecho de que no es completamente vertical? ¿Más de esto tiene lugar más abajo en la atmósfera?
@Loren Pechtel: No veo el problema de la aceleración. A menos que haya olvidado mi física, una aceleración de 5 g debería llevarlo de 0 a la velocidad del sonido en 1,25 km. Hay muchas montañas que ofrecen pendientes mucho más largas.
@jamesqf Y llegar a la velocidad del sonido no te servirá de mucho.
@Loren Pechtel: ¿Por qué llegar a la velocidad del sonido (o varias veces eso) sin gastar combustible, o tener que construir tanques para ese combustible, no va a hacer mucho bien? Está eliminando una buena parte de tu primera etapa. Consulte, por ejemplo, el artículo de Wikipedia sobre el lanzamiento de Saturno V en.wikipedia.org/wiki/Saturn_V#Lunar_mission_launch_sequence y observe cuánto combustible se quema para alcanzar una velocidad sónica a una altitud comparable a la eyección de la catapulta: 60 segundos de un total de 168 segundos de combustión de la primera etapa .
@jamesqf El componente horizontal es considerablemente peor que inútil y tienes que reforzar tu cohete para que no se desmorone cuando lo haces.
@Loren Pechtel: ¿Por qué "peor que inútil"? Después de todo, cualquier lanzamiento de cohete convencional se inclina hacia la horizontal poco después del lanzamiento. (Para Saturno V, comenzando justo después de que despeja la torre). Si su primera etapa es alada (lo que desea para flyback), puede redirigir el componente horizontal hacia arriba según sea necesario. Y si es un scramjet, querrás permanecer en la atmósfera por un tiempo de todos modos.
@jamesqf Si deja el trineo en un ángulo de 45 grados, eso significa que su cohete ahora está disparando en un ángulo de 45 grados hasta que pueda enderezarse. Eso es poder desperdiciado.
¿Por qué su trineo se lanzaría en algo que no sea 100% vertical? No hay ninguna razón por la que no puedas hacer eso, y parece que no hay razón para que no lo hagas. Como tal, esta respuesta es completamente inútil.
@BT ¿Y de qué tipo de aceleración estás hablando con un lanzamiento vertical? ¡Nada que una persona pueda sobrevivir!
sinceramente no te entiendo ¿Por qué un lanzamiento vertical requeriría una aceleración insuperable?
@BT Porque hay un límite en la duración de una pista vertical que puede hacer. Si quieres obtener mucha velocidad de esa pista, tendrás que usar una gran aceleración.
Pero ciertamente podría alcanzar gran parte de su velocidad horizontalmente y luego subir una montaña para obtener tanto la velocidad como la altura.
@BT Y tus pasajeros mueren cuando giras.

Un caso especial de un trineo de lanzamiento sería inclinarlo por la ladera de una montaña. En ese momento, el extremo inferior estaría en la atmósfera, el extremo superior más delgado debido a la altitud.

Probablemente querrá encerrarlo y evacuar el tubo para poder acelerar a través de un vacío o cerca de él.

Como ahora tiene un tubo, es posible que desee utilizar la inducción magnética para impulsarlo. Pero si no, es posible que desee encender algo detrás de él y tiene una pistola de lanzamiento.

¿Qué haría factible el lanzamiento de un trineo de cohetes?
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